]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
documentation update
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2003 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * Symbols::                      Symbolic objects.
678 * Numbers::                      Numerical objects.
679 * Constants::                    Pre-defined constants.
680 * Fundamental containers::       The power, add and mul classes.
681 * Lists::                        Lists of expressions.
682 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
683 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
684 * Matrices::                     Matrices.
685 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
686 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
687 @end menu
688
689
690 @node Expressions, The Class Hierarchy, Basic Concepts, Basic Concepts
691 @c    node-name, next, previous, up
692 @section Expressions
693 @cindex expression (class @code{ex})
694 @cindex @code{has()}
695
696 The most common class of objects a user deals with is the expression
697 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
698 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
699 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
700 little collection of valid expressions:
701
702 @example
703 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
704 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
705 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
706 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
707 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
708 @end example
709
710 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
711 contain other expressions thus creating a tree of expressions
712 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
713 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
714 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
715 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
716 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
717 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
718
719 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
720 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
721 @code{ex}.
722
723
724 @node The Class Hierarchy, Error handling, Expressions, Basic Concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section The Class Hierarchy
727
728 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
729 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
730 helpers) are internally derived from one abstract base class called
731 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
732 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
733 containers of expressions and so on.
734
735 @cindex container
736 @cindex atom
737 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
738 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
739 some of the relations among the classes:
740
741 @image{classhierarchy}
742
743 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
744 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
745 duplication if two or more classes derived from them share certain
746 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
747 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
748 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
749 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
750 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
751 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
752 are stored in the different classes:
753
754 @cartouche
755 @multitable @columnfractions .22 .78
756 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
757 @item @code{constant} @tab Constants like 
758 @tex
759 $\pi$
760 @end tex
761 @ifnottex
762 @math{Pi}
763 @end ifnottex
764 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
765 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
766 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
767 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
768 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
769 @tex
770 $\sqrt{2}$
771 @end tex
772 @ifnottex
773 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
774 @end ifnottex
775 @dots{}
776 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
777 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
778 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
779 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
780 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
781 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
782 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
783 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
784 @item @code{varidx} @tab Index with variance
785 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
786 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
787 @end multitable
788 @end cartouche
789
790
791 @node Error handling, Symbols, The Class Hierarchy, Basic Concepts
792 @c    node-name, next, previous, up
793 @section Error handling
794 @cindex exceptions
795 @cindex @code{pole_error} (class)
796
797 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
798 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
799 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
800 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
801 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
802 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
803 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
804 at a singularity.
805
806 The @code{pole_error} class has a member function
807
808 @example
809 int pole_error::degree(void) const;
810 @end example
811
812 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
813 logarithmic or the order is undefined).
814
815 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
816 the main program even if you don't want to do any special error handling.
817 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
818 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
819 usually only aborts the program without giving any information what went
820 wrong.
821
822 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
823 exceptions generated by GiNaC:
824
825 @example
826 #include <iostream>
827 #include <stdexcept>
828 #include <ginac/ginac.h>
829 using namespace std;
830 using namespace GiNaC;
831
832 int main(void)
833 @{
834     try @{
835         ...
836         // code using GiNaC
837         ...
838     @} catch (exception &p) @{
839         cerr << p.what() << endl;
840         return 1;
841     @}
842     return 0;
843 @}
844 @end example
845
846
847 @node Symbols, Numbers, Error handling, Basic Concepts
848 @c    node-name, next, previous, up
849 @section Symbols
850 @cindex @code{symbol} (class)
851 @cindex hierarchy of classes
852
853 @cindex atom
854 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
855 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
856 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
857 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
858 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
859 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
860 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
861 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
862 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
863 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
864 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
865 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
866 come across examples of such symbols later in this tutorial.
867
868 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
869 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
870 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
871 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
872 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
873 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
874 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
875 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
876 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
877 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
878
879 @cindex @code{subs()}
880 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
881 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
882 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
883 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
884
885
886 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
887 @c    node-name, next, previous, up
888 @section Numbers
889 @cindex @code{numeric} (class)
890
891 @cindex GMP
892 @cindex CLN
893 @cindex rational
894 @cindex fraction
895 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
896 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
897 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
898 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
899 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
900 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
901 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
902 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
903 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
904 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
905 several useful things: First, it introduces the complex number field
906 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
907 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
908 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
909 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
910 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
911 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
912 calculation of some useful constants.
913
914 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
915 ways.  The following example shows the four most important constructors.
916 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
917 integers, construction from C-float and construction from a string:
918
919 @example
920 #include <iostream>
921 #include <ginac/ginac.h>
922 using namespace GiNaC;
923
924 int main()
925 @{
926     numeric two = 2;                      // exact integer 2
927     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
928     numeric e(2.71828);                   // floating point number
929     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
930     // Trott's constant in scientific notation:
931     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
932     
933     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
934     ...
935 @end example
936
937 @cindex @code{I}
938 @cindex complex numbers
939 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
940 name @code{I}:
941
942 @example
943     ...
944     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
945     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
946 @}
947 @end example
948
949 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
950 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
951 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
952 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
953 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
954 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
955 also.
956
957 @cindex @code{Digits}
958 @cindex accuracy
959 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
960 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
961 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
962 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
963 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
964 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
965 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
966 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
967 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
968 digits:
969
970 @example
971 #include <iostream>
972 #include <ginac/ginac.h>
973 using namespace std;
974 using namespace GiNaC;
975
976 void foo()
977 @{
978     numeric three(3.0), one(1.0);
979     numeric x = one/three;
980
981     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
982     cout << x << endl;
983     cout << Pi.evalf() << endl;
984 @}
985
986 int main()
987 @{
988     foo();
989     Digits = 60;
990     foo();
991     return 0;
992 @}
993 @end example
994
995 The above example prints the following output to screen:
996
997 @example
998 in 17 digits:
999 0.33333333333333333334
1000 3.1415926535897932385
1001 in 60 digits:
1002 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1003 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1004 @end example
1005
1006 @cindex rounding
1007 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1008 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1009 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1010 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1011 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1012 architectures with different word size, the above output might even
1013 differ with regard to actually computed digits.
1014
1015 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1016 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1017 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1018
1019 @subsection Tests on numbers
1020
1021 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1022 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1023 kind of information from them like asking whether that number is
1024 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1025 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1026 certain CLN functions.)
1027
1028 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1029 some multiple of its denominator and test what comes out:
1030
1031 @example
1032 #include <iostream>
1033 #include <ginac/ginac.h>
1034 using namespace std;
1035 using namespace GiNaC;
1036
1037 // some very important constants:
1038 const numeric twentyone(21);
1039 const numeric ten(10);
1040 const numeric five(5);
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     numeric answer = twentyone;
1045
1046     answer /= five;
1047     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1048     answer *= ten;
1049     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1050 @}
1051 @end example
1052
1053 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1054 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1055 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1056 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1057 the result is automatically converted to a pure integer again.
1058 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1059 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1060 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1061 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1062 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1063 can be applied is listed in the following table.
1064
1065 @cartouche
1066 @multitable @columnfractions .30 .70
1067 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1068 @item @code{.is_zero()}
1069 @tab @dots{}equal to zero
1070 @item @code{.is_positive()}
1071 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1072 @item @code{.is_integer()}
1073 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1074 @item @code{.is_pos_integer()}
1075 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1076 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1077 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1078 @item @code{.is_even()}
1079 @tab @dots{}an even integer
1080 @item @code{.is_odd()}
1081 @tab @dots{}an odd integer
1082 @item @code{.is_prime()}
1083 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1084 @item @code{.is_rational()}
1085 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1086 @item @code{.is_real()}
1087 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1088 @item @code{.is_cinteger()}
1089 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1090 @item @code{.is_crational()}
1091 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1092 @end multitable
1093 @end cartouche
1094
1095
1096 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1097 @c    node-name, next, previous, up
1098 @section Constants
1099 @cindex @code{constant} (class)
1100
1101 @cindex @code{Pi}
1102 @cindex @code{Catalan}
1103 @cindex @code{Euler}
1104 @cindex @code{evalf()}
1105 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1106 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1107
1108 The predefined known constants are:
1109
1110 @cartouche
1111 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1112 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1113 @item @code{Pi}
1114 @tab Archimedes' constant
1115 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1116 @item @code{Catalan}
1117 @tab Catalan's constant
1118 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1119 @item @code{Euler}
1120 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1121 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1122 @end multitable
1123 @end cartouche
1124
1125
1126 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1127 @c    node-name, next, previous, up
1128 @section Fundamental containers: the @code{power}, @code{add} and @code{mul} classes
1129 @cindex polynomial
1130 @cindex @code{add}
1131 @cindex @code{mul}
1132 @cindex @code{power}
1133
1134 Simple polynomial expressions are written down in GiNaC pretty much like
1135 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1136 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1137 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1138 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1139 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1140 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1141 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1142
1143 @example
1144     ...
1145     symbol a("a"), b("b");
1146     ex MyTerm = 1+a*b;
1147     ...
1148 @end example
1149
1150 @cindex @code{pow()}
1151 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1152 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1153 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1154 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1155 have several counterintuitive and undesired effects:
1156
1157 @itemize @bullet
1158 @item
1159 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1160 @item
1161 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1162 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1163 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1164 @item
1165 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1166 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1167 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1168 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1169 has requested @code{2^3}.)
1170 @end itemize
1171
1172 @cindex @command{ginsh}
1173 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1174 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1175 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1176 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1177 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1178 not exist at all in C++).
1179
1180 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1181 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1182 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1183 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1184 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1185 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1186 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1187 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1188 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1189 @code{x} negative.
1190
1191 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1192 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1193 and safe simplifications are carried out like transforming
1194 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1195
1196 The general rule is that when you construct such objects, GiNaC
1197 automatically creates them in canonical form, which might differ from
1198 the form you typed in your program.  This allows for rapid comparison of
1199 expressions, since after all @code{a-a} is simply zero.  Note, that the
1200 canonical form is not necessarily lexicographical ordering or in any way
1201 easily guessable.  It is only guaranteed that constructing the same
1202 expression twice, either implicitly or explicitly, results in the same
1203 canonical form.
1204
1205
1206 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1207 @c    node-name, next, previous, up
1208 @section Lists of expressions
1209 @cindex @code{lst} (class)
1210 @cindex lists
1211 @cindex @code{nops()}
1212 @cindex @code{op()}
1213 @cindex @code{append()}
1214 @cindex @code{prepend()}
1215 @cindex @code{remove_first()}
1216 @cindex @code{remove_last()}
1217
1218 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1219 expressions. These are sometimes used to supply a variable number of
1220 arguments of the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and
1221 @code{to_rational()}, so you should have a basic understanding about them.
1222
1223 Lists of up to 16 expressions can be directly constructed from single
1224 expressions:
1225
1226 @example
1227 @{
1228     symbol x("x"), y("y");
1229     lst l(x, 2, y, x+y);
1230     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1231     // ...
1232 @end example
1233
1234 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1235 a list and the @code{op()} method to access individual elements:
1236
1237 @example
1238     // ...
1239     cout << l.nops() << endl;                   // prints '4'
1240     cout << l.op(2) << " " << l.op(0) << endl;  // prints 'y x'
1241     // ...
1242 @end example
1243
1244 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1245 and @code{prepend()} methods:
1246
1247 @example
1248     // ...
1249     l.append(4*x);   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1250     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 2, y, x+y, 4*x@}
1251     // ...
1252 @end example
1253
1254 Finally you can remove the first or last element of a list with
1255 @code{remove_first()} and @code{remove_last()}:
1256
1257 @example
1258     // ...
1259     l.remove_first();   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1260     l.remove_last();    // l is now @{x, 2, y, x+y@}
1261 @}
1262 @end example
1263
1264
1265 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1266 @c    node-name, next, previous, up
1267 @section Mathematical functions
1268 @cindex @code{function} (class)
1269 @cindex trigonometric function
1270 @cindex hyperbolic function
1271
1272 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1273 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1274 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1275
1276 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1277 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1278 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1279 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1280 the next example, showing how a function returns itself twice and
1281 finally an expression that may be really useful:
1282
1283 @cindex Gamma function
1284 @cindex @code{subs()}
1285 @example
1286     ...
1287     symbol x("x"), y("y");    
1288     ex foo = x+y/2;
1289     cout << tgamma(foo) << endl;
1290      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1291     ex bar = foo.subs(y==1);
1292     cout << tgamma(bar) << endl;
1293      // -> tgamma(x+1/2)
1294     ex foobar = bar.subs(x==7);
1295     cout << tgamma(foobar) << endl;
1296      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1297     ...
1298 @end example
1299
1300 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1301 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1302 this.
1303
1304 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1305 functions, where the argument list is templated.  This means that
1306 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1307 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1308 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1309 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1310 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1311 point number of class @code{numeric} you should call
1312 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1313 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1314 wrapped inside an @code{ex}.
1315
1316
1317 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1318 @c    node-name, next, previous, up
1319 @section Relations
1320 @cindex @code{relational} (class)
1321
1322 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1323 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1324 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1325 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1326 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1327 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1328
1329 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1330 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1331 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1332 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1333 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1334 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1335 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1336 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1337 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1338 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1339 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1340 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1341 @code{expand()} must be called explicitly.
1342
1343
1344 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1345 @c    node-name, next, previous, up
1346 @section Matrices
1347 @cindex @code{matrix} (class)
1348
1349 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1350 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1351 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1352 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1353
1354 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1355 elements:
1356
1357 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1358 @cindex @code{diag_matrix()}
1359 @cindex @code{unit_matrix()}
1360 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1361 @example
1362 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1363 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1364 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1365 ex diag_matrix(const lst & l);
1366 ex unit_matrix(unsigned x);
1367 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1368 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1369 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1370 @end example
1371
1372 The first two functions are @code{matrix} constructors which create a matrix
1373 with @samp{r} rows and @samp{c} columns. The matrix elements can be
1374 initialized from a (flat) list of expressions @samp{l}. Otherwise they are
1375 all set to zero. The @code{lst_to_matrix()} function constructs a matrix
1376 from a list of lists, each list representing a matrix row. @code{diag_matrix()}
1377 constructs a diagonal matrix given the list of diagonal elements.
1378 @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r} by @samp{c})
1379 unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a matrix filled
1380 with newly generated symbols made of the specified base name and the
1381 position of each element in the matrix.
1382
1383 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1384 operator:
1385
1386 @example
1387 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1388 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1389 @end example
1390
1391 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1392 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1393 @samp{[]} is not available.
1394
1395 Here are a couple of examples of constructing matrices:
1396
1397 @example
1398 @{
1399     symbol a("a"), b("b");
1400
1401     matrix M(2, 2);
1402     M(0, 0) = a;
1403     M(1, 1) = b;
1404     cout << M << endl;
1405      // -> [[a,0],[0,b]]
1406
1407     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1408      // -> [[a,0],[0,b]]
1409
1410     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1411      // -> [[a,0],[0,b]]
1412
1413     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1414      // -> [[a,0],[0,b]]
1415
1416     cout << unit_matrix(3) << endl;
1417      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1418
1419     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1420      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1421 @}
1422 @end example
1423
1424 @cindex @code{transpose()}
1425 @cindex @code{inverse()}
1426 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1427 efficient one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1428
1429 @example
1430 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1431 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1432 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1433 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1434 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1435 matrix matrix::transpose(void) const;
1436 matrix matrix::inverse(void) const;
1437 @end example
1438
1439 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1440 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1441 and @math{C}:
1442
1443 @example
1444 @{
1445     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4));
1446     matrix B(2, 2, lst(-1, 0, 2, 1));
1447     matrix C(2, 2, lst(8, 4, 2, 1));
1448
1449     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1450     cout << result << endl;
1451      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1452     ...
1453 @}
1454 @end example
1455
1456 @cindex @code{evalm()}
1457 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1458 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1459 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1460 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1461 method
1462
1463 @example
1464 ex ex::evalm() const;
1465 @end example
1466
1467 to obtain the result:
1468
1469 @example
1470 @{
1471     ...
1472     ex e = A*B - 2*C;
1473     cout << e << endl;
1474      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1475     cout << e.evalm() << endl;
1476      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1477     ...
1478 @}
1479 @end example
1480
1481 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1482 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1483 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1484 dealing with non-commutative expressions.
1485
1486 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1487 to perform the arithmetic:
1488
1489 @example
1490 @{
1491     ...
1492     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1493     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1494     cout << e << endl;
1495      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1496     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1497      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1498 @}
1499 @end example
1500
1501 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1502 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1503 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1504 more information about using matrices with indices, and about indices in
1505 general.
1506
1507 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1508 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1509
1510 @cindex @code{determinant()}
1511 @cindex @code{trace()}
1512 @cindex @code{charpoly()}
1513 @example
1514 ex matrix::determinant(unsigned algo = determinant_algo::automatic) const;
1515 ex matrix::trace(void) const;
1516 ex matrix::charpoly(const symbol & lambda) const;
1517 @end example
1518
1519 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select between
1520 different algorithms for calculating the determinant. The possible values
1521 are defined in the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a
1522 heuristic to automatically select an algorithm that is likely to give the
1523 result most quickly.
1524
1525
1526 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1527 @c    node-name, next, previous, up
1528 @section Indexed objects
1529
1530 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1531 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1532 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1533 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1534
1535 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1536 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1537 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1538 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1539
1540 @cindex @code{idx} (class)
1541 @cindex @code{indexed} (class)
1542 @subsection Indexed quantities and their indices
1543
1544 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1545 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1546
1547 @itemize @bullet
1548
1549 @cindex contravariant
1550 @cindex covariant
1551 @cindex variance
1552 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1553 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1554 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1555 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1556 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1557 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1558
1559 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1560 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1561 one or more indices.
1562
1563 @end itemize
1564
1565 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1566 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1567 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1568 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1569 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1570 not visible in the output.
1571
1572 A simple example shall illustrate the concepts:
1573
1574 @example
1575 #include <iostream>
1576 #include <ginac/ginac.h>
1577 using namespace std;
1578 using namespace GiNaC;
1579
1580 int main()
1581 @{
1582     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1583     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1584
1585     symbol A("A");
1586     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1587      // -> A.i.j
1588     ...
1589 @end example
1590
1591 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1592 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1593 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1594 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1595 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1596 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1597 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1598 @code{j}.
1599
1600 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1601 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1602 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1603 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1604 correct and will raise an exception:
1605
1606 @example
1607 symbol i("i"), j("j");
1608 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1609 @end example
1610
1611 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1612 be numeric, and index dimensions symbolic:
1613
1614 @example
1615     ...
1616     symbol B("B"), dim("dim");
1617     cout << 4 * indexed(A, i)
1618           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1619      // -> B.j.2.i+4*A.i
1620     ...
1621 @end example
1622
1623 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1624 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1625 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1626 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1627 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1628
1629 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1630 arbitrary expressions:
1631
1632 @example
1633     ...
1634     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1635      // -> (B+A).(1+2*i)
1636     ...
1637 @end example
1638
1639 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1640 get an error message from this but you will probably not be able to do
1641 anything useful with it.
1642
1643 @cindex @code{get_value()}
1644 @cindex @code{get_dimension()}
1645 The methods
1646
1647 @example
1648 ex idx::get_value(void);
1649 ex idx::get_dimension(void);
1650 @end example
1651
1652 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1653 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1654 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1655 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1656
1657 There are also the methods
1658
1659 @example
1660 bool idx::is_numeric(void);
1661 bool idx::is_symbolic(void);
1662 bool idx::is_dim_numeric(void);
1663 bool idx::is_dim_symbolic(void);
1664 @end example
1665
1666 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1667 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1668 About Expressions}) returns information about the index value.
1669
1670 @cindex @code{varidx} (class)
1671 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1672
1673 @example
1674     ...
1675     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1676     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1677     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1678
1679     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1680      // -> A~mu~nu
1681     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1682      // -> A.mu~nu
1683     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1684      // -> A.mu~nu
1685     ...
1686 @end example
1687
1688 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1689 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1690 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1691 constructor. The two methods
1692
1693 @example
1694 bool varidx::is_covariant(void);
1695 bool varidx::is_contravariant(void);
1696 @end example
1697
1698 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1699 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1700 method
1701
1702 @example
1703 ex varidx::toggle_variance(void);
1704 @end example
1705
1706 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1707 variance. By using it you only have to define the index once.
1708
1709 @cindex @code{spinidx} (class)
1710 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1711 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1712
1713 @example
1714     ...
1715     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1716     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1717                                             // contravariant, undotted
1718     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1719     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1720     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1721
1722     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1723      // -> K~C~D
1724     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
1725      // -> K.C~*D
1726     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
1727      // -> K.*D~D
1728     ...
1729 @end example
1730
1731 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
1732 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
1733 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
1734 methods
1735
1736 @example
1737 bool spinidx::is_dotted(void);
1738 bool spinidx::is_undotted(void);
1739 @end example
1740
1741 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
1742 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
1743 Finally, the two methods
1744
1745 @example
1746 ex spinidx::toggle_dot(void);
1747 ex spinidx::toggle_variance_dot(void);
1748 @end example
1749
1750 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
1751 and the same or opposite variance.
1752
1753 @subsection Substituting indices
1754
1755 @cindex @code{subs()}
1756 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
1757 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
1758 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
1759 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
1760
1761 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
1762 by another index or expression:
1763
1764 @example
1765     ...
1766     ex e = indexed(A, mu_co);
1767     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
1768      // -> A.mu becomes A~nu
1769     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
1770      // -> A.mu becomes A~0
1771     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
1772      // -> A.mu becomes A.0
1773     ...
1774 @end example
1775
1776 The third example shows that trying to replace an index with something that
1777 is not an index will substitute the index value instead.
1778
1779 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
1780 another expression:
1781
1782 @example
1783     ...
1784     ex e = indexed(A, mu_co);
1785     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
1786      // -> A.mu becomes A.nu
1787     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
1788      // -> A.mu becomes A.0
1789     ...
1790 @end example
1791
1792 As you see, with the second method only the value of the index will get
1793 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
1794 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
1795 whole index by another one with the new dimension.
1796
1797 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
1798 expected:
1799
1800 @example
1801     ...
1802     ex e = indexed(A, mu_co);
1803     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
1804      // -> A.mu becomes (B+A).mu
1805     ...
1806 @end example
1807
1808 @subsection Symmetries
1809 @cindex @code{symmetry} (class)
1810 @cindex @code{sy_none()}
1811 @cindex @code{sy_symm()}
1812 @cindex @code{sy_anti()}
1813 @cindex @code{sy_cycl()}
1814
1815 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
1816 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
1817 that is constructed with the helper functions
1818
1819 @example
1820 symmetry sy_none(...);
1821 symmetry sy_symm(...);
1822 symmetry sy_anti(...);
1823 symmetry sy_cycl(...);
1824 @end example
1825
1826 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
1827 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
1828 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
1829 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
1830 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
1831 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
1832 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
1833 all indices.
1834
1835 Here are some examples of symmetry definitions:
1836
1837 @example
1838     ...
1839     // No symmetry:
1840     e = indexed(A, i, j);
1841     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
1842     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
1843
1844     // Symmetric in all three indices:
1845     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
1846     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1847     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
1848                                                // different canonical order
1849
1850     // Symmetric in the first two indices only:
1851     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
1852     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
1853
1854     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
1855     // be contiguous):
1856     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
1857     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
1858
1859     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
1860     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
1861     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
1862     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
1863
1864     // Cyclic symmetry in all three indices:
1865     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
1866     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1867
1868     // The following examples are invalid constructions that will throw
1869     // an exception at run time.
1870
1871     // An index may not appear multiple times:
1872     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
1873     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
1874
1875     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
1876     // same number of indices:
1877     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
1878
1879     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
1880     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
1881     ...
1882 @end example
1883
1884 If you need to specify more than four indices, you have to use the
1885 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
1886 full symmetry in the first six indices you would write
1887 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
1888
1889 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
1890 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
1891
1892 @example
1893     ...
1894     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
1895           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
1896      // -> 2*A.j.i
1897     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
1898           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
1899      // -> 0
1900     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
1901           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
1902      // -> 0
1903     ...
1904 @end example
1905
1906 @cindex @code{get_free_indices()}
1907 @cindex Dummy index
1908 @subsection Dummy indices
1909
1910 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
1911 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
1912 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
1913 dummy nor free indices.
1914
1915 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
1916 class and their value must be the same single symbol (an index like
1917 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
1918 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
1919 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
1920
1921 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
1922 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
1923 of a sum are consistent:
1924
1925 @example
1926 @{
1927     symbol A("A"), B("B"), C("C");
1928
1929     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
1930     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
1931
1932     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
1933     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1934      // -> (.i,.k)
1935      // 'j' and 'l' are dummy indices
1936
1937     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
1938     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
1939
1940     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
1941       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
1942     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1943      // -> (~mu,~rho)
1944      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
1945
1946     e = indexed(A, mu, mu);
1947     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1948      // -> (~mu)
1949      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
1950      // variance
1951
1952     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
1953     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
1954      // this will throw an exception:
1955      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
1956 @}
1957 @end example
1958
1959 @cindex @code{simplify_indexed()}
1960 @subsection Simplifying indexed expressions
1961
1962 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
1963 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
1964 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
1965 there is the method
1966
1967 @example
1968 ex ex::simplify_indexed(void);
1969 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
1970 @end example
1971
1972 that performs some more expensive operations:
1973
1974 @itemize
1975 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
1976   @code{get_free_indices()} does
1977 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
1978   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
1979 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
1980   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
1981   next section)
1982 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
1983   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
1984 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
1985   of two tensors with a user-defined value
1986 @end itemize
1987
1988 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
1989 which is used to store scalar products with known values (this is not an
1990 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
1991
1992 @example
1993 @{
1994     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
1995     idx i(i_sym, 3);
1996
1997     scalar_products sp;
1998     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
1999     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2000     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2001
2002     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2003     cout << e << endl;
2004      // -> (B+A).i*(A+C).i
2005
2006     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2007          << endl;
2008      // -> 4+C.i*B.i
2009 @}
2010 @end example
2011
2012 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2013 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2014 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2015 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2016 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2017 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2018 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2019 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2020
2021 @cindex @code{expand()}
2022 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2023 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2024 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2025
2026 @cindex @code{tensor} (class)
2027 @subsection Predefined tensors
2028
2029 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2030 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2031 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2032 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2033 indices are specified).
2034
2035 @cindex @code{delta_tensor()}
2036 @subsubsection Delta tensor
2037
2038 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2039 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2040 @code{delta_tensor()}:
2041
2042 @example
2043 @{
2044     symbol A("A"), B("B");
2045
2046     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2047         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2048
2049     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2050          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2051     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2052      // -> B.i.j*A.i.j
2053
2054     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2055      // -> 3
2056 @}
2057 @end example
2058
2059 @cindex @code{metric_tensor()}
2060 @subsubsection General metric tensor
2061
2062 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2063 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2064 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2065 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2066
2067 @example
2068 @{
2069     symbol A("A");
2070
2071     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2072
2073     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2074     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2075      // -> A~mu~rho
2076
2077     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2078     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2079      // -> g~mu~rho
2080
2081     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2082       * metric_tensor(nu, rho);
2083     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2084      // -> delta.mu~rho
2085
2086     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2087       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2088         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2089     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2090      // -> 4+A.rho~rho
2091 @}
2092 @end example
2093
2094 @cindex @code{lorentz_g()}
2095 @subsubsection Minkowski metric tensor
2096
2097 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2098 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2099 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2100 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2101 @samp{eta}):
2102
2103 @example
2104 @{
2105     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2106
2107     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2108       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2109     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2110      // -> 1
2111
2112     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2113       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2114     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2115      // -> -1
2116 @}
2117 @end example
2118
2119 @cindex @code{spinor_metric()}
2120 @subsubsection Spinor metric tensor
2121
2122 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2123 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2124 It is output as @samp{eps}:
2125
2126 @example
2127 @{
2128     symbol psi("psi");
2129
2130     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2131     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2132
2133     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2134     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2135      // -> psi~A
2136
2137     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2138     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2139      // -> -psi~B
2140
2141     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2142     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2143      // -> -psi.A
2144
2145     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2146     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2147      // -> psi.B
2148
2149     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2150     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2151      // -> 2
2152
2153     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2154     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2155      // -> -delta.A~C
2156 @}
2157 @end example
2158
2159 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2160
2161 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2162 @cindex @code{lorentz_eps()}
2163 @subsubsection Epsilon tensor
2164
2165 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2166 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2167 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2168 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2169 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2170 @samp{eps}.
2171
2172 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2173 dimensions:
2174
2175 @example
2176 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2177 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2178 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2179 @end example
2180
2181 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2182 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2183 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2184 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2185 tensor):
2186
2187 @example
2188 @{
2189     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2190            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2191     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2192         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2193     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2194      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2195
2196     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2197     symbol A("A"), B("B");
2198     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2199     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2200      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2201     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2202     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2203      // -> 0
2204 @}
2205 @end example
2206
2207 @subsection Linear algebra
2208
2209 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2210 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2211 and scalar products):
2212
2213 @example
2214 @{
2215     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2216     symbol x("x"), y("y");
2217
2218     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2219     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4)), X(2, 1, lst(x, y));
2220
2221     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2222      // -> 5
2223
2224     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2225     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2226      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2227
2228     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2229     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2230      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2231 @}
2232 @end example
2233
2234 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2235 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2236 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2237
2238 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2239 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2240 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2241 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2242
2243 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2244 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2245 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2246 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2247 of the metric tensor.
2248
2249
2250 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2251 @c    node-name, next, previous, up
2252 @section Non-commutative objects
2253
2254 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2255 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2256 physics:
2257
2258 @itemize
2259 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2260 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2261 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2262 @end itemize
2263
2264 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2265 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2266 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2267 @ref{Matrices}.
2268
2269 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2270 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2271 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2272 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2273 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2274 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2275 by their class. Consider this example:
2276
2277 @example
2278     ...
2279     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2280     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2281     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2282     cout << e << endl;
2283      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2284     ...
2285 @end example
2286
2287 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2288 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2289 together while preserving the order of factors within each class (because
2290 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2291 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2292 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2293 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2294
2295 @cindex @code{ncmul} (class)
2296 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2297 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2298 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2299 though.
2300
2301 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2302 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2303 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2304 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2305 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2306 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2307 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2308 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2309 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2310 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2311
2312 @cindex @code{return_type()}
2313 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2314 Information about the commutativity of an object or expression can be
2315 obtained with the two member functions
2316
2317 @example
2318 unsigned ex::return_type(void) const;
2319 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2320 @end example
2321
2322 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2323 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2324 expressions in GiNaC:
2325
2326 @itemize
2327 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2328   classes are of this kind.
2329 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2330   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2331   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2332   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2333   class.
2334 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2335   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2336   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2337   @code{noncommutative_composite} expressions.
2338 @end itemize
2339
2340 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2341 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2342 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2343 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2344
2345 Here are a couple of examples:
2346
2347 @cartouche
2348 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2349 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2350 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2351 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2352 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2353 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2354 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2355 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2356 @end multitable
2357 @end cartouche
2358
2359 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2360 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2361 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2362 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2363 for color objects.
2364
2365 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2366 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2367 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2368 non-commutative expressions).
2369
2370
2371 @cindex @code{clifford} (class)
2372 @subsection Clifford algebra
2373
2374 @cindex @code{dirac_gamma()}
2375 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2376 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2377 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2378 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2379
2380 @example
2381 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2382 @end example
2383
2384 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2385 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2386 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2387 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2388 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2389 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2390
2391 @cindex @code{dirac_ONE()}
2392 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2393
2394 @example
2395 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2396 @end example
2397
2398 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2399 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2400 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2401 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2402 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2403
2404 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2405 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2406 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2407 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2408
2409 @example
2410 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2411 @end example
2412
2413 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2414 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2415 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2416 objects, constructed by
2417
2418 @example
2419 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2420 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2421 @end example
2422
2423 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2424 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2425
2426 @cindex @code{dirac_slash()}
2427 Finally, the function
2428
2429 @example
2430 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2431 @end example
2432
2433 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2434 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2435 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2436 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2437
2438 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2439 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2440 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2441
2442 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2443 for example
2444
2445 @example
2446 @{
2447     ...
2448     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2449     varidx mu(symbol("mu"), D);
2450     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2451          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2452     cout << e << endl;
2453      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2454     e = e.simplify_indexed();
2455     cout << e << endl;
2456      // -> -D*a\+2*a\
2457     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2458      // -> -2*a\
2459     ...
2460 @}
2461 @end example
2462
2463 @cindex @code{dirac_trace()}
2464 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2465 you use the function
2466
2467 @example
2468 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2469 @end example
2470
2471 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2472 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2473 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2474 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2475 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2476 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2477 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2478 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2479 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2480
2481 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2482 @math{D != 4} dimensions:
2483
2484 @example
2485 @{
2486     // 4 dimensions
2487     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2488     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2489            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2490     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2491      // -> -8*eta~rho~nu
2492 @}
2493 ...
2494 @{
2495     // D dimensions
2496     symbol D("D");
2497     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2498     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2499            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2500     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2501      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2502 @}
2503 @end example
2504
2505 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2506 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2507 QED:
2508
2509 @example
2510 @{
2511     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2512     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2513
2514     scalar_products sp;
2515     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2516     sp.add(l, q, ldotq);
2517
2518     ex e = dirac_gamma(mu) *
2519            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2520            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2521            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2522     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2523     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2524     cout << e << endl;
2525      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2526 @}
2527 @end example
2528
2529 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2530 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2531 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2532
2533 @example
2534 @{
2535     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2536     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2537     cout << e << endl;
2538      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2539
2540     e = canonicalize_clifford(e);
2541     cout << e << endl;
2542      // -> 2*eta~mu~nu
2543 @}
2544 @end example
2545
2546
2547 @cindex @code{color} (class)
2548 @subsection Color algebra
2549
2550 @cindex @code{color_T()}
2551 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2552 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2553 elements @math{T_a} are constructed by the function
2554
2555 @example
2556 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2557 @end example
2558
2559 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2560 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2561 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2562 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2563 not @code{varidx}.
2564
2565 @cindex @code{color_ONE()}
2566 The unity element of a color algebra is constructed by
2567
2568 @example
2569 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2570 @end example
2571
2572 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2573 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2574 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2575 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2576 GiNaC may produce incorrect results.
2577
2578 @cindex @code{color_d()}
2579 @cindex @code{color_f()}
2580 The functions
2581
2582 @example
2583 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2584 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2585 @end example
2586
2587 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2588 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2589 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2590
2591 @cindex @code{color_h()}
2592 There's an additional function
2593
2594 @example
2595 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2596 @end example
2597
2598 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2599
2600 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2601 expressions containing color objects:
2602
2603 @example
2604 @{
2605     ...
2606     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2607         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2608
2609     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2610     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2611      // -> 0
2612
2613     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2614     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2615      // -> 5/3*delta.k.l
2616
2617     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2618     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2619      // -> 3*delta.k.l
2620
2621     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2622     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2623      // -> -32/3
2624
2625     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2626     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2627      // -> -2/3*T.a
2628
2629     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2630     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2631      // -> -8/9*ONE
2632
2633     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2634     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2635      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2636     ...
2637 @end example
2638
2639 @cindex @code{color_trace()}
2640 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2641 function
2642
2643 @example
2644 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2645 @end example
2646
2647 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2648 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2649 standing. For example:
2650
2651 @example
2652     ...
2653     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2654     cout << e << endl;
2655      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2656 @}
2657 @end example
2658
2659
2660 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2661 @c    node-name, next, previous, up
2662 @chapter Methods and Functions
2663 @cindex polynomial
2664
2665 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2666 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2667 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2668 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2669 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2670 example:
2671
2672 @example
2673     ...
2674     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2675     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2676     ...
2677 @end example
2678
2679 @cindex @code{subs()}
2680 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2681 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2682 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2683 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2684 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2685 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2686 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2687 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2688 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2689 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2690 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2691 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2692 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2693 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2694 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2695 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2696 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2697 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2698 avoided.
2699
2700 @menu
2701 * Information About Expressions::
2702 * Substituting Expressions::
2703 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2704 * Applying a Function on Subexpressions::
2705 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2706 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2707 * Symbolic Differentiation::
2708 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2709 * Symmetrization::
2710 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2711 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2712 @end menu
2713
2714
2715 @node Information About Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions, Methods and Functions
2716 @c    node-name, next, previous, up
2717 @section Getting information about expressions
2718
2719 @subsection Checking expression types
2720 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
2721 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
2722 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
2723 @cindex Converting @code{ex} to other classes
2724 @cindex @code{info()}
2725 @cindex @code{return_type()}
2726 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2727
2728 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
2729 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
2730 GiNaC provides a couple of functions for this:
2731
2732 @example
2733 bool is_a<T>(const ex & e);
2734 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
2735 bool ex::info(unsigned flag);
2736 unsigned ex::return_type(void) const;
2737 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2738 @end example
2739
2740 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
2741 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
2742 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
2743 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
2744
2745 @example
2746 @{
2747     @dots{}
2748     if (is_a<numeric>(e))
2749         numeric n = ex_to<numeric>(e);
2750     @dots{}
2751 @}
2752 @end example
2753
2754 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
2755 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
2756 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
2757 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
2758
2759 @example
2760 @{
2761     symbol x("x");
2762     ex e1 = 42;
2763     ex e2 = 4*x - 3;
2764     is_a<numeric>(e1);  // true
2765     is_a<numeric>(e2);  // false
2766     is_a<add>(e1);      // false
2767     is_a<add>(e2);      // true
2768     is_a<mul>(e1);      // false
2769     is_a<mul>(e2);      // false
2770 @}
2771 @end example
2772
2773 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
2774 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
2775 class @samp{T}, not including parent classes.
2776
2777 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
2778 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
2779 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
2780 table:
2781
2782 @cartouche
2783 @multitable @columnfractions .30 .70
2784 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
2785 @item @code{numeric}
2786 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
2787 @item @code{real}
2788 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
2789 @item @code{rational}
2790 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
2791 @item @code{integer}
2792 @tab @dots{}a (non-complex) integer
2793 @item @code{crational}
2794 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
2795 @item @code{cinteger}
2796 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
2797 @item @code{positive}
2798 @tab @dots{}not complex and greater than 0
2799 @item @code{negative}
2800 @tab @dots{}not complex and less than 0
2801 @item @code{nonnegative}
2802 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
2803 @item @code{posint}
2804 @tab @dots{}an integer greater than 0
2805 @item @code{negint}
2806 @tab @dots{}an integer less than 0
2807 @item @code{nonnegint}
2808 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
2809 @item @code{even}
2810 @tab @dots{}an even integer
2811 @item @code{odd}
2812 @tab @dots{}an odd integer
2813 @item @code{prime}
2814 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
2815 @item @code{relation}
2816 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
2817 @item @code{relation_equal}
2818 @tab @dots{}a @code{==} relation
2819 @item @code{relation_not_equal}
2820 @tab @dots{}a @code{!=} relation
2821 @item @code{relation_less}
2822 @tab @dots{}a @code{<} relation
2823 @item @code{relation_less_or_equal}
2824 @tab @dots{}a @code{<=} relation
2825 @item @code{relation_greater}
2826 @tab @dots{}a @code{>} relation
2827 @item @code{relation_greater_or_equal}
2828 @tab @dots{}a @code{>=} relation
2829 @item @code{symbol}
2830 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
2831 @item @code{list}
2832 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
2833 @item @code{polynomial}
2834 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
2835 @item @code{integer_polynomial}
2836 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
2837 @item @code{cinteger_polynomial}
2838 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
2839 @item @code{rational_polynomial}
2840 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
2841 @item @code{crational_polynomial}
2842 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
2843 @item @code{rational_function}
2844 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
2845 @item @code{algebraic}
2846 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
2847 @end multitable
2848 @end cartouche
2849
2850 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
2851 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
2852 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
2853 for an explanation of these.
2854
2855
2856 @subsection Accessing subexpressions
2857 @cindex @code{nops()}
2858 @cindex @code{op()}
2859 @cindex container
2860 @cindex @code{relational} (class)
2861
2862 GiNaC provides the two methods
2863
2864 @example
2865 unsigned ex::nops();
2866 ex ex::op(unsigned i);
2867 @end example
2868
2869 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
2870 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
2871 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
2872 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
2873 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
2874 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
2875 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
2876
2877 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
2878 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
2879
2880 @example
2881 ex ex::lhs();
2882 ex ex::rhs();
2883 @end example
2884
2885
2886 @subsection Comparing expressions
2887 @cindex @code{is_equal()}
2888 @cindex @code{is_zero()}
2889
2890 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
2891 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
2892 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
2893 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
2894 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
2895 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
2896 @code{false}.
2897
2898 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
2899 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
2900 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
2901
2902 There are also two methods
2903
2904 @example
2905 bool ex::is_equal(const ex & other);
2906 bool ex::is_zero();
2907 @end example
2908
2909 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
2910 respectively.
2911
2912 @strong{Warning:} You will also find an @code{ex::compare()} method in the
2913 GiNaC header files. This method is however only to be used internally by
2914 GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
2915 expressions will give very surprising results.
2916
2917
2918 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Information About Expressions, Methods and Functions
2919 @c    node-name, next, previous, up
2920 @section Substituting expressions
2921 @cindex @code{subs()}
2922
2923 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
2924 expressions via the @code{.subs()} method:
2925
2926 @example
2927 ex ex::subs(const ex & e);
2928 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls);
2929 @end example
2930
2931 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
2932 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
2933
2934 @example
2935 @{
2936     symbol x("x"), y("y");
2937
2938     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
2939     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
2940      // -> 73
2941
2942     ex e2 = x*y + x;
2943     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
2944      // -> -10
2945 @}
2946 @end example
2947
2948 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
2949 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
2950
2951 The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
2952 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
2953 contain the same number of elements). Using this form, you would write
2954 @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))} to exchange @samp{x} and @samp{y}.
2955
2956 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
2957 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
2958 following example:
2959
2960 @example
2961 @{
2962     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2963
2964     ex e1 = pow(x+y, 2);
2965     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
2966      // -> 16
2967
2968     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
2969     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
2970      // -> cos(x)^2*sin(y)
2971
2972     ex e3 = x+y+z;
2973     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
2974      // -> x+y+z
2975      // (and not 4+z as one might expect)
2976 @}
2977 @end example
2978
2979 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
2980 next section.
2981
2982
2983 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
2984 @c    node-name, next, previous, up
2985 @section Pattern matching and advanced substitutions
2986 @cindex @code{wildcard} (class)
2987 @cindex Pattern matching
2988
2989 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
2990 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
2991 substituting expressions in a more general way.
2992
2993 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
2994 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
2995 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
2996 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
2997 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
2998 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
2999 with the call
3000
3001 @example
3002 ex wild(unsigned label = 0);
3003 @end example
3004
3005 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3006 name.
3007
3008 Some examples for patterns:
3009
3010 @multitable @columnfractions .5 .5
3011 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3012 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3013 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3014 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3015 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3016 @end multitable
3017
3018 Notes:
3019
3020 @itemize
3021 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3022   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3023 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3024   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3025   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3026 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3027   possible to use them as placeholders for other properties like index
3028   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3029   etc.
3030 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3031   as part of noncommutative products.
3032 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3033   are also valid patterns.
3034 @end itemize
3035
3036 @subsection Matching expressions
3037 @cindex @code{match()}
3038 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3039 matches a given pattern. This is done by the function
3040
3041 @example
3042 bool ex::match(const ex & pattern);
3043 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3044 @end example
3045
3046 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3047 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3048 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3049 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3050 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3051 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3052 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3053 expressions by passing in the result of a previous match.
3054
3055 The matching algorithm works as follows:
3056
3057 @itemize
3058 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3059   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3060   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3061   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3062 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3063   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3064   etc.).
3065 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3066   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3067 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3068   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3069   of the pattern.
3070 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3071   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3072 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3073   match the corresponding subexpression of the pattern.
3074 @end itemize
3075
3076 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3077 account for their commutativity and associativity:
3078
3079 @itemize
3080 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3081   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3082   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3083   way.
3084 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3085   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3086   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3087   further matches.
3088 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3089   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3090   which case this wildcard matches the remaining terms.
3091 @end itemize
3092
3093 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3094 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3095 ambiguous results.
3096
3097 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3098 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3099 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3100
3101 @example
3102 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3103 @{@}
3104 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3105 FAIL
3106 > match((x+y)^a,$1^$2);
3107 @{$1==x+y,$2==a@}
3108 > match((x+y)^a,$1^$1);
3109 FAIL
3110 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3111 @{$1==x+y@}
3112 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3113 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3114 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3115 @{$1==a@}
3116 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3117 @{$1==c,$2==b@}
3118   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3119 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3120   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3121    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3122    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3123    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3124    fail.)
3125 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3126   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3127    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3128 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3129 FAIL
3130 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3131 @{$0==a+e+b+f+d@}
3132 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3133 @{$0==a+b+f+d@}
3134 > match(a+b,a+b+$0);
3135 @{$0==0@}
3136 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3137 FAIL
3138   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3139    even though a==a^1.)
3140 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3141 @{$0==x@}
3142 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3143 @{$0==x^2@}
3144 @end example
3145
3146 @subsection Matching parts of expressions
3147 @cindex @code{has()}
3148 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3149 member function
3150
3151 @example
3152 bool ex::has(const ex & pattern);
3153 @end example
3154
3155 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3156 by any of its subexpressions.
3157
3158 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3159 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3160
3161 @example
3162 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3163 1
3164 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3165 0
3166   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3167    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3168 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3169 1
3170   (But this is possible.)
3171 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3172 0
3173   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3174    which "x+y" is not a subexpression.)
3175 > has(x+1,x^$1);
3176 0
3177   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3178    "x^something".)
3179 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3180 1
3181 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3182 0
3183   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3184    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3185    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3186 @end example
3187
3188 @cindex @code{find()}
3189 The method
3190
3191 @example
3192 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3193 @end example
3194
3195 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3196 match. Instead, it inserts all found matches into the specified list. If
3197 there are multiple occurrences of the same expression, it is entered only
3198 once to the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3199 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3200
3201 @example
3202 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3203 @{x@}
3204 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3205 @{@}
3206 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3207 @{x^3,x^2@}
3208   (Note the absence of "x".)
3209 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3210 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3211 > find(%,sin($1));
3212 @{sin(y),sin(x)@}
3213 @end example
3214
3215 @subsection Substituting expressions
3216 @cindex @code{subs()}
3217 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3218 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3219 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3220 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3221 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3222
3223 Some examples:
3224
3225 @example
3226 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3227 b^3+a^3+(x+y)^3
3228 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3229 b^4+a^4+(x+y)^4
3230 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3231 (a+b+c)^2
3232 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3233 (x+c)^2
3234 > subs(a+2*b,a+b==x);
3235 a+2*b
3236 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3237 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3238 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3239 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3240 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3241 cos(1+cos(x))
3242 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3243 a+b
3244 @end example
3245
3246 The last example would be written in C++ in this way:
3247
3248 @example
3249 @{
3250     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3251     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3252     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3253     cout << e.expand() << endl;
3254      // -> a+b
3255 @}
3256 @end example
3257
3258
3259 @node Applying a Function on Subexpressions, Polynomial Arithmetic, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3260 @c    node-name, next, previous, up
3261 @section Applying a Function on Subexpressions
3262 @cindex Tree traversal
3263 @cindex @code{map()}
3264
3265 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3266 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3267 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3268 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3269 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3270 to do this manually which usually results in code like this:
3271
3272 @example
3273 ex calc_trace(ex e)
3274 @{
3275     if (is_a<matrix>(e))
3276         return ex_to<matrix>(e).trace();
3277     else if (is_a<add>(e)) @{
3278         ex sum = 0;
3279         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++)
3280             sum += calc_trace(e.op(i));
3281         return sum;
3282     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3283         ...
3284     @} else @{
3285         ...
3286     @}
3287 @}
3288 @end example
3289
3290 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3291 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3292 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3293 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3294 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3295
3296 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3297 operations:
3298
3299 @example
3300 ex ex::map(map_function & f) const;
3301 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3302 @end example
3303
3304 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3305 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3306 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3307 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3308 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3309 non-recursively.
3310
3311 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3312 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3313 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3314 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3315 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3316
3317 @example
3318 struct calc_trace : public map_function @{
3319     ex operator()(const ex &e)
3320     @{
3321         if (is_a<matrix>(e))
3322             return ex_to<matrix>(e).trace();
3323         else if (is_a<mul>(e)) @{
3324             ...
3325         @} else
3326             return e.map(*this);
3327     @}
3328 @};
3329 @end example
3330
3331 This function object could then be used like this:
3332
3333 @example
3334 @{
3335     ex M = ... // expression with matrices
3336     calc_trace do_trace;
3337     ex tr = do_trace(M);
3338 @}
3339 @end example
3340
3341 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3342 terms in a variable from an expanded polynomial:
3343
3344 @example
3345 struct map_rem_quad : public map_function @{
3346     ex var;
3347     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3348
3349     ex operator()(const ex & e)
3350     @{
3351         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3352             return e.map(*this);
3353         else if (is_a<power>(e) && 
3354                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3355             return 0;
3356         else
3357             return e;
3358     @}
3359 @};
3360
3361 ...
3362
3363 @{
3364     symbol x("x"), y("y");
3365
3366     ex e;
3367     for (int i=0; i<8; i++)
3368         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3369     cout << e << endl;
3370      // -> 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
3371
3372     map_rem_quad rem_quad(x);
3373     cout << rem_quad(e) << endl;
3374      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3375 @}
3376 @end example
3377
3378 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3379 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3380 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3381 acts as the placeholder for the operands:
3382
3383 @example
3384 > map(a*b,sin($0));
3385 sin(a)*sin(b)
3386 > map(a+2*b,sin($0));
3387 sin(a)+sin(2*b)
3388 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3389 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3390 @end example
3391
3392 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3393 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3394 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3395
3396 @example
3397 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3398 @{0,0,0@}
3399   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3400   to "map(@{a,b,c@},0)".
3401 @end example
3402
3403
3404 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3405 @c    node-name, next, previous, up
3406 @section Polynomial arithmetic
3407
3408 @subsection Expanding and collecting
3409 @cindex @code{expand()}
3410 @cindex @code{collect()}
3411 @cindex @code{collect_common_factors()}
3412
3413 A polynomial in one or more variables has many equivalent
3414 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
3415 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
3416 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
3417 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
3418 representations are the recursive ones where one collects for exponents
3419 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
3420 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
3421 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
3422 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
3423 x*z}.
3424
3425 To bring an expression into expanded form, its method
3426
3427 @example
3428 ex ex::expand();
3429 @end example
3430
3431 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
3432 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
3433 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
3434 orderings of terms in such sums!
3435
3436 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
3437 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
3438 being polynomials in the remaining variables.  The method
3439 @code{collect()} accomplishes this task:
3440
3441 @example
3442 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
3443 @end example
3444
3445 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
3446 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
3447 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
3448 by the @code{distributed} flag.
3449
3450 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
3451 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
3452 coefficients properly.
3453
3454 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
3455 together with @code{find()}:
3456
3457 @example
3458 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
3459 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
3460 > collect(a,@{p,q@});
3461 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
3462 > collect(a,find(a,sin($1)));
3463 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
3464 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
3465 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
3466 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
3467 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
3468 @end example
3469
3470 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
3471 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
3472
3473 @example
3474 ex collect_common_factors(const ex & e);
3475 @end example
3476
3477 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
3478 factors which are already explicitly present:
3479
3480 @example
3481 > collect_common_factors(a*x+a*y);
3482 (x+y)*a
3483 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
3484 a*(2*x*y+y^2+x^2)
3485 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
3486 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
3487 @end example
3488
3489 @subsection Degree and coefficients
3490 @cindex @code{degree()}
3491 @cindex @code{ldegree()}
3492 @cindex @code{coeff()}
3493
3494 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
3495 methods
3496
3497 @example
3498 int ex::degree(const ex & s);
3499 int ex::ldegree(const ex & s);
3500 @end example
3501
3502 These functions only work reliably if the input polynomial is collected in
3503 terms of the object @samp{s}. Otherwise, they are only guaranteed to return
3504 the upper/lower bounds of the exponents. If you need accurate results, you
3505 have to call @code{expand()} and/or @code{collect()} on the input polynomial.
3506 For example
3507
3508 @example
3509 > a=(x+1)^2-x^2;
3510 (1+x)^2-x^2;
3511 > degree(a,x);
3512 2
3513 > degree(expand(a),x);
3514 1
3515 @end example
3516
3517 @code{degree()} also works on rational functions, returning the asymptotic
3518 degree:
3519
3520 @example
3521 > degree((x+1)/(x^3+1),x);
3522 -2
3523 @end example
3524
3525 If the input is not a polynomial or rational function in the variable @samp{s},
3526 the behavior of @code{degree()} and @code{ldegree()} is undefined.
3527
3528 To extract a coefficient with a certain power from an expanded
3529 polynomial you use
3530
3531 @example
3532 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
3533 @end example
3534
3535 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
3536
3537 @example
3538 ex ex::lcoeff(const ex & s);
3539 ex ex::tcoeff(const ex & s);
3540 @end example
3541
3542 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
3543 respectively.
3544
3545 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
3546 polynomial is analyzed:
3547
3548 @example
3549 @{
3550     symbol x("x"), y("y");
3551     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
3552                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
3553     ex Poly = PolyInp.expand();
3554     
3555     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
3556         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
3557              << Poly.coeff(x,i) << endl;
3558     @}
3559     cout << "As polynomial in y: " 
3560          << Poly.collect(y) << endl;
3561 @}
3562 @end example
3563
3564 When run, it returns an output in the following fashion:
3565
3566 @example
3567 The x^0-coefficient is y^2+11*y
3568 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
3569 The x^2-coefficient is -1
3570 The x^3-coefficient is 4*y
3571 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
3572 @end example
3573
3574 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
3575 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
3576 within the user's sphere of influence.
3577
3578 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
3579 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
3580 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
3581 constants, functions and indexed objects as well:
3582
3583 @example
3584 @{
3585     symbol a("a"), b("b"), c("c");
3586     idx i(symbol("i"), 3);
3587
3588     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
3589     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
3590      // -> 4
3591     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
3592      // -> -4*cos(x)
3593
3594     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
3595     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
3596     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
3597      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
3598 @}
3599 @end example
3600
3601
3602 @subsection Polynomial division
3603 @cindex polynomial division
3604 @cindex quotient
3605 @cindex remainder
3606 @cindex pseudo-remainder
3607 @cindex @code{quo()}
3608 @cindex @code{rem()}
3609 @cindex @code{prem()}
3610 @cindex @code{divide()}
3611
3612 The two functions
3613
3614 @example
3615 ex quo(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3616 ex rem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3617 @end example
3618
3619 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
3620 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
3621
3622 The additional function
3623
3624 @example
3625 ex prem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3626 @end example
3627
3628 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
3629 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
3630
3631 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
3632
3633 @example
3634 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
3635 @end example
3636
3637 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
3638 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
3639 in which case the value of @code{q} is undefined.
3640
3641
3642 @subsection Unit, content and primitive part
3643 @cindex @code{unit()}
3644 @cindex @code{content()}
3645 @cindex @code{primpart()}
3646
3647 The methods
3648
3649 @example
3650 ex ex::unit(const symbol & x);
3651 ex ex::content(const symbol & x);
3652 ex ex::primpart(const symbol & x);
3653 @end example
3654
3655 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
3656 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
3657 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
3658 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
3659 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
3660 original polynomial.
3661
3662
3663 @subsection GCD and LCM
3664 @cindex GCD
3665 @cindex LCM
3666 @cindex @code{gcd()}
3667 @cindex @code{lcm()}
3668
3669 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
3670 multiple have the synopsis
3671
3672 @example
3673 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
3674 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
3675 @end example
3676
3677 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
3678 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
3679 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
3680 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
3681 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
3682
3683 @example
3684 #include <ginac/ginac.h>
3685 using namespace GiNaC;
3686
3687 int main()
3688 @{
3689     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3690     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
3691     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
3692
3693     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
3694     // x + 5*y + 4*z
3695     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
3696     // 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
3697 @}
3698 @end example
3699
3700
3701 @subsection Square-free decomposition
3702 @cindex square-free decomposition
3703 @cindex factorization
3704 @cindex @code{sqrfree()}
3705
3706 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
3707 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
3708 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
3709 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
3710 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
3711 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
3712 one, too:
3713 @example
3714 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
3715 @end example
3716 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
3717 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
3718 some care with subsequent processing of the result:
3719 @example
3720     ...
3721     symbol x("x"), y("y");
3722     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
3723
3724     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
3725      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
3726
3727     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
3728      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
3729
3730     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
3731      // -> depending on luck, any of the above
3732     ...
3733 @end example
3734 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
3735 with this method.
3736
3737
3738 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
3739 @c    node-name, next, previous, up
3740 @section Rational expressions
3741
3742 @subsection The @code{normal} method
3743 @cindex @code{normal()}
3744 @cindex simplification
3745 @cindex temporary replacement
3746
3747 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
3748 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
3749 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
3750 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
3751 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
3752 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
3753
3754 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
3755 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
3756 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
3757 functions before performing the normalization, and re-substituting these
3758 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
3759 @code{.to_rational()}, described below.
3760
3761 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
3762 simplified in this little code snippet:
3763
3764 @example
3765 @{
3766     symbol x("x");
3767     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
3768     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
3769     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
3770     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
3771 @}
3772 @end example
3773
3774 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
3775 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
3776 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
3777
3778
3779 @subsection Numerator and denominator
3780 @cindex numerator
3781 @cindex denominator
3782 @cindex @code{numer()}
3783 @cindex @code{denom()}
3784 @cindex @code{numer_denom()}
3785
3786 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
3787
3788 @example
3789 ex ex::numer();
3790 ex ex::denom();
3791 ex ex::numer_denom();
3792 @end example
3793
3794 These functions will first normalize the expression as described above and
3795 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
3796 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
3797 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
3798
3799
3800 @subsection Converting to a rational expression
3801 @cindex @code{to_rational()}
3802
3803 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
3804 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
3805 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
3806 above. You do this by calling
3807
3808 @example
3809 ex ex::to_rational(lst &l);
3810 @end example
3811
3812 on the expression to be converted. The supplied @code{lst} will be filled
3813 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in
3814 a format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
3815 already contain a list of replacements from an earlier application of
3816 @code{.to_rational()}, so it's possible to use it on multiple expressions
3817 and get consistent results.
3818
3819 For example,
3820
3821 @example
3822 @{
3823     symbol x("x");
3824     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
3825     ex b = sin(x) + cos(x);
3826     ex q;
3827     lst l;
3828     divide(a.to_rational(l), b.to_rational(l), q);
3829     cout << q.subs(l) << endl;
3830 @}
3831 @end example
3832
3833 will print @samp{sin(x)-cos(x)}.
3834
3835
3836 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
3837 @c    node-name, next, previous, up
3838 @section Symbolic differentiation
3839 @cindex differentiation
3840 @cindex @code{diff()}
3841 @cindex chain rule
3842 @cindex product rule
3843
3844 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
3845 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
3846 the derivatives of all the monomials:
3847
3848 @example
3849 @{
3850     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3851     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
3852
3853     cout << P.diff(x,2) << endl;
3854      // -> 20*x^3 + 2
3855     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
3856      // -> 1
3857     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
3858      // -> 0
3859 @}
3860 @end example
3861
3862 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
3863 returns the @var{n}th derivative.
3864
3865 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
3866 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
3867 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
3868 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
3869 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
3870 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
3871 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
3872 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
3873 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
3874 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
3875 lines:
3876
3877 @cindex Euler numbers
3878 @example
3879 #include <ginac/ginac.h>
3880 using namespace GiNaC;
3881
3882 ex EulerNumber(unsigned n)
3883 @{
3884     symbol x;
3885     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
3886     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
3887 @}
3888
3889 int main()
3890 @{
3891     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
3892         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
3893     return 0;
3894 @}
3895 @end example
3896
3897 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
3898 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
3899 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
3900
3901
3902 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
3903 @c    node-name, next, previous, up
3904 @section Series expansion
3905 @cindex @code{series()}
3906 @cindex Taylor expansion
3907 @cindex Laurent expansion
3908 @cindex @code{pseries} (class)
3909 @cindex @code{Order()}
3910
3911 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
3912 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
3913 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
3914 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
3915 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
3916 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
3917 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
3918 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
3919 term).  A sample application from special relativity could read:
3920
3921 @example
3922 #include <ginac/ginac.h>
3923 using namespace std;
3924 using namespace GiNaC;
3925
3926 int main()
3927 @{
3928     symbol v("v"), c("c");
3929     
3930     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
3931     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
3932     
3933     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
3934          << mass_nonrel << endl;
3935     
3936     cout << "the inverse square of this series is " << endl
3937          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
3938 @}
3939 @end example
3940
3941 Only calling the series method makes the last output simplify to
3942 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
3943 series raised to the power @math{-2}.
3944
3945 @cindex Machin's formula
3946 As another instructive application, let us calculate the numerical 
3947 value of Archimedes' constant
3948 @tex
3949 $\pi$
3950 @end tex
3951 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
3952 using Machin's amazing formula
3953 @tex
3954 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
3955 @end tex
3956 @ifnottex
3957 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
3958 @end ifnottex
3959 We may expand the arcus tangent around @code{0} and insert the fractions
3960 @code{1/5} and @code{1/239}.  But, as we have seen, a series in GiNaC
3961 carries an order term with it and the question arises what the system is
3962 supposed to do when the fractions are plugged into that order term.  The
3963 solution is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip
3964 the order term off:
3965
3966 @example
3967 #include <ginac/ginac.h>
3968 using namespace GiNaC;
3969
3970 ex machin_pi(int degr)
3971 @{
3972     symbol x;
3973     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
3974     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
3975                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
3976     return pi_approx;
3977 @}
3978
3979 int main()
3980 @{
3981     using std::cout;  // just for fun, another way of...
3982     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
3983     ex pi_frac;
3984     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
3985         pi_frac = machin_pi(i);
3986         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
3987              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
3988     @}
3989     return 0;
3990 @}
3991 @end example
3992
3993 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
3994 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
3995 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
3996 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
3997 program, it will type out:
3998
3999 @example
4000 2:      3804/1195
4001         3.1832635983263598326
4002 4:      5359397032/1706489875
4003         3.1405970293260603143
4004 6:      38279241713339684/12184551018734375
4005         3.141621029325034425
4006 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4007         3.141591772182177295
4008 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4009         3.1415926824043995174
4010 @end example
4011
4012
4013 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4014 @c    node-name, next, previous, up
4015 @section Symmetrization
4016 @cindex @code{symmetrize()}
4017 @cindex @code{antisymmetrize()}
4018 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4019
4020 The three methods
4021
4022 @example
4023 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4024 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4025 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4026 @end example
4027
4028 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4029 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4030 weighted by the number of permutations.
4031
4032 The three additional methods
4033
4034 @example
4035 ex ex::symmetrize();
4036 ex ex::antisymmetrize();
4037 ex ex::symmetrize_cyclic();
4038 @end example
4039
4040 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4041
4042 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4043 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4044
4045 @example
4046 @{
4047     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4048     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4049                                            
4050     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4051      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4052     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4053      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4054     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4055      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4056 @}
4057 @end example
4058
4059
4060 @node Built-in Functions, Input/Output, Symmetrization, Methods and Functions
4061 @c    node-name, next, previous, up
4062 @section Predefined mathematical functions
4063
4064 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4065
4066 @cartouche
4067 @multitable @columnfractions .30 .70
4068 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4069 @item @code{abs(x)}
4070 @tab absolute value
4071 @cindex @code{abs()}
4072 @item @code{csgn(x)}
4073 @tab complex sign
4074 @cindex @code{csgn()}
4075 @item @code{sqrt(x)}
4076 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4077 @cindex @code{sqrt()}
4078 @item @code{sin(x)}
4079 @tab sine
4080 @cindex @code{sin()}
4081 @item @code{cos(x)}
4082 @tab cosine
4083 @cindex @code{cos()}
4084 @item @code{tan(x)}
4085 @tab tangent
4086 @cindex @code{tan()}
4087 @item @code{asin(x)}
4088 @tab inverse sine
4089 @cindex @code{asin()}
4090 @item @code{acos(x)}
4091 @tab inverse cosine
4092 @cindex @code{acos()}
4093 @item @code{atan(x)}
4094 @tab inverse tangent
4095 @cindex @code{atan()}
4096 @item @code{atan2(y, x)}
4097 @tab inverse tangent with two arguments
4098 @item @code{sinh(x)}
4099 @tab hyperbolic sine
4100 @cindex @code{sinh()}
4101 @item @code{cosh(x)}
4102 @tab hyperbolic cosine
4103 @cindex @code{cosh()}
4104 @item @code{tanh(x)}
4105 @tab hyperbolic tangent
4106 @cindex @code{tanh()}
4107 @item @code{asinh(x)}
4108 @tab inverse hyperbolic sine
4109 @cindex @code{asinh()}
4110 @item @code{acosh(x)}
4111 @tab inverse hyperbolic cosine
4112 @cindex @code{acosh()}
4113 @item @code{atanh(x)}
4114 @tab inverse hyperbolic tangent
4115 @cindex @code{atanh()}
4116 @item @code{exp(x)}
4117 @tab exponential function
4118 @cindex @code{exp()}
4119 @item @code{log(x)}
4120 @tab natural logarithm
4121 @cindex @code{log()}
4122 @item @code{Li2(x)}
4123 @tab Dilogarithm
4124 @cindex @code{Li2()}
4125 @item @code{zeta(x)}
4126 @tab Riemann's zeta function
4127 @cindex @code{zeta()}
4128 @item @code{zeta(n, x)}
4129 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4130 @item @code{tgamma(x)}
4131 @tab Gamma function
4132 @cindex @code{tgamma()}
4133 @cindex Gamma function
4134 @item @code{lgamma(x)}
4135 @tab logarithm of Gamma function
4136 @cindex @code{lgamma()}
4137 @item @code{beta(x, y)}
4138 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4139 @cindex @code{beta()}
4140 @item @code{psi(x)}
4141 @tab psi (digamma) function
4142 @cindex @code{psi()}
4143 @item @code{psi(n, x)}
4144 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4145 @item @code{factorial(n)}
4146 @tab factorial function
4147 @cindex @code{factorial()}
4148 @item @code{binomial(n, m)}
4149 @tab binomial coefficients
4150 @cindex @code{binomial()}
4151 @item @code{Order(x)}
4152 @tab order term function in truncated power series
4153 @cindex @code{Order()}
4154 @end multitable
4155 @end cartouche
4156
4157 @cindex branch cut
4158 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4159 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4160 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4161 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4162 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4163 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4164 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4165 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4166 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4167 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4168 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4169 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4170 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4171 compatible with C99.
4172
4173
4174 @node Input/Output, Extending GiNaC, Built-in Functions, Methods and Functions
4175 @c    node-name, next, previous, up
4176 @section Input and output of expressions
4177 @cindex I/O
4178
4179 @subsection Expression output
4180 @cindex printing
4181 @cindex output of expressions
4182
4183 The easiest way to print an expression is to write it to a stream:
4184
4185 @example
4186 @{
4187     symbol x("x");
4188     ex e = 4.5+pow(x,2)*3/2;
4189     cout << e << endl;    // prints '(4.5)+3/2*x^2'
4190     // ...
4191 @end example
4192
4193 The output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
4194 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
4195 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
4196 is printed as @samp{x^2}).
4197
4198 It is possible to print expressions in a number of different formats with
4199 the method
4200
4201 @example
4202 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0);
4203 @end example
4204
4205 @cindex @code{print_context} (class)
4206 The type of @code{print_context} object passed in determines the format
4207 of the output. The possible types are defined in @file{ginac/print.h}.
4208 All constructors of @code{print_context} and derived classes take an
4209 @code{ostream &} as their first argument.
4210
4211 To print an expression in a way that can be directly used in a C or C++
4212 program, you pass a @code{print_csrc} object like this:
4213
4214 @example
4215     // ...
4216     cout << "float f = ";
4217     e.print(print_csrc_float(cout));
4218     cout << ";\n";
4219
4220     cout << "double d = ";
4221     e.print(print_csrc_double(cout));
4222     cout << ";\n";
4223
4224     cout << "cl_N n = ";
4225     e.print(print_csrc_cl_N(cout));
4226     cout << ";\n";
4227     // ...
4228 @end example
4229
4230 The three possible types mostly affect the way in which floating point
4231 numbers are written.
4232
4233 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to @code{x*x}):
4234
4235 @example
4236 float f = (3.0/2.0)*(x*x)+4.500000e+00;
4237 double d = (3.0/2.0)*(x*x)+4.5000000000000000e+00;
4238 cl_N n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::cl_F("4.5_17");
4239 @end example
4240
4241 The @code{print_context} type @code{print_tree} provides a dump of the
4242 internal structure of an expression for debugging purposes:
4243
4244 @example
4245     // ...
4246     e.print(print_tree(cout));
4247 @}
4248 @end example
4249
4250 produces
4251
4252 @example
4253 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4254     power, hash=0x9, flags=0x3, nops=2
4255         x (symbol), serial=3, hash=0x44a113a6, flags=0xf
4256         2 (numeric), hash=0x80000042, flags=0xf
4257     3/2 (numeric), hash=0x80000061, flags=0xf
4258     -----
4259     overall_coeff
4260     4.5L0 (numeric), hash=0x8000004b, flags=0xf
4261     =====
4262 @end example
4263
4264 This kind of output is also available in @command{ginsh} as the @code{print()}
4265 function.
4266
4267 Another useful output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
4268 It is rather similar to the default @code{print_context} but provides
4269 some braces needed by LaTeX for delimiting boxes and also converts some
4270 common objects to conventional LaTeX names. It is possible to give symbols
4271 a special name for LaTeX output by supplying it as a second argument to
4272 the @code{symbol} constructor.
4273
4274 For example, the code snippet
4275
4276 @example
4277     // ...
4278     symbol x("x");
4279     ex foo = lgamma(x).series(x==0,3);
4280     foo.print(print_latex(std::cout));
4281 @end example
4282
4283 will print out:
4284
4285 @example
4286     @{(-\ln(x))@}+@{(-\gamma_E)@} x+@{(1/12 \pi^2)@} x^@{2@}+\mathcal@{O@}(x^3)
4287 @end example
4288
4289 @cindex Tree traversal
4290 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
4291 with other algebra systems or for producing code for different
4292 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
4293
4294 @example
4295 static void my_print(const ex & e)
4296 @{
4297     if (is_a<function>(e))
4298         cout << ex_to<function>(e).get_name();
4299     else
4300         cout << e.bp->class_name();
4301     cout << "(";
4302     unsigned n = e.nops();
4303     if (n)
4304         for (unsigned i=0; i<n; i++) @{
4305             my_print(e.op(i));
4306             if (i != n-1)
4307                 cout << ",";
4308         @}
4309     else
4310         cout << e;
4311     cout << ")";
4312 @}
4313
4314 int main(void)
4315 @{
4316     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
4317     return 0;
4318 @}
4319 @end example
4320
4321 This will produce
4322
4323 @example
4324 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
4325 symbol(y))),numeric(-2)))
4326 @end example
4327
4328 If you need an output format that makes it possible to accurately
4329 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
4330 object factory, you should consider storing the expression in an
4331 @code{archive} object and reading the object properties from there.
4332 See the section on archiving for more information.
4333
4334
4335 @subsection Expression input
4336 @cindex input of expressions
4337
4338 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
4339 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
4340 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
4341 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
4342 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
4343
4344 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
4345 list of symbols and indices to be used:
4346
4347 @example
4348 @{
4349     symbol x("x"), y("y"), p("p");
4350     idx i(symbol("i"), 3);
4351     ex e("2*x+sin(y)+p.i", lst(x, y, p, i));
4352 @}
4353 @end example
4354
4355 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
4356 output operator @code{<<}. The symbols and indices in the string are matched
4357 by name to the symbols and indices in the list and if GiNaC encounters a
4358 symbol or index not specified in the list it will throw an exception. Only
4359 indices whose values are single symbols can be used (i.e. numeric indices
4360 or compound indices as in "A.(2*n+1)" are not allowed).
4361
4362 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
4363
4364 @example
4365 #include <iostream>
4366 #include <string>
4367 #include <stdexcept>
4368 #include <ginac/ginac.h>
4369 using namespace std;
4370 using namespace GiNaC;
4371
4372 int main()
4373 @{
4374     symbol x("x");
4375     string s;
4376
4377     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
4378     getline(cin, s);
4379
4380     try @{
4381         ex e(s, lst(x));
4382         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
4383         cout << e.diff(x) << ".\n";
4384     @} catch (exception &p) @{
4385         cerr << p.what() << endl;
4386     @}
4387 @}
4388 @end example
4389
4390
4391 @subsection Archiving
4392 @cindex @code{archive} (class)
4393 @cindex archiving
4394
4395 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
4396 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
4397 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
4398 expression a unique name:
4399
4400 @example
4401 #include <fstream>
4402 using namespace std;
4403 #include <ginac/ginac.h>
4404 using namespace GiNaC;
4405
4406 int main()
4407 @{
4408     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4409
4410     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
4411     ex bar = foo + 1;
4412
4413     archive a;
4414     a.archive_ex(foo, "foo");
4415     a.archive_ex(bar, "the second one");
4416     // ...
4417 @end example
4418
4419 The archive can then be written to a file:
4420
4421 @example
4422     // ...
4423     ofstream out("foobar.gar");
4424     out << a;
4425     out.close();
4426     // ...
4427 @end example
4428
4429 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
4430 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
4431
4432 @cindex @command{viewgar}
4433 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
4434 the contents of GiNaC archive files:
4435
4436 @example
4437 $ viewgar foobar.gar
4438 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
4439 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
4440 @end example
4441
4442 The point of writing archive files is of course that they can later be
4443 read in again:
4444
4445 @example
4446     // ...
4447     archive a2;
4448     ifstream in("foobar.gar");
4449     in >> a2;
4450     // ...
4451 @end example
4452
4453 And the stored expressions can be retrieved by their name:
4454
4455 @example
4456     // ...
4457     lst syms(x, y);
4458
4459     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
4460     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
4461
4462     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
4463     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
4464     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
4465 @}
4466 @end example
4467
4468 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
4469 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
4470 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
4471 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
4472 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
4473 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
4474 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
4475 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
4476
4477 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
4478 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
4479 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
4480 functions that let you access the stored properties:
4481
4482 @example
4483 static void my_print2(const archive_node & n)
4484 @{
4485     string class_name;
4486     n.find_string("class", class_name);
4487     cout << class_name << "(";
4488
4489     archive_node::propinfovector p;
4490     n.get_properties(p);
4491
4492     unsigned num = p.size();
4493     for (unsigned i=0; i<num; i++) @{
4494         const string &name = p[i].name;
4495         if (name == "class")
4496             continue;
4497         cout << name << "=";
4498
4499         unsigned count = p[i].count;
4500         if (count > 1)
4501             cout << "@{";
4502
4503         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
4504             switch (p[i].type) @{
4505                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
4506                     bool x;
4507                     n.find_bool(name, x, j);
4508                     cout << (x ? "true" : "false");
4509                     break;
4510                 @}
4511                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
4512                     unsigned x;
4513                     n.find_unsigned(name, x, j);
4514                     cout << x;
4515                     break;
4516                 @}
4517                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
4518                     string x;
4519                     n.find_string(name, x, j);
4520                     cout << '\"' << x << '\"';
4521                     break;
4522                 @}
4523                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
4524                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
4525                     my_print2(x);
4526                     break;
4527                 @}
4528             @}
4529
4530             if (j != count-1)
4531                 cout << ",";
4532         @}
4533
4534         if (count > 1)
4535             cout << "@}";
4536
4537         if (i != num-1)
4538             cout << ",";
4539     @}
4540
4541     cout << ")";
4542 @}
4543
4544 int main(void)
4545 @{
4546     ex e = pow(2, x) - y;
4547     archive ar(e, "e");
4548     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
4549     return 0;
4550 @}
4551 @end example
4552
4553 This will produce:
4554
4555 @example
4556 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
4557 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
4558 overall_coeff=numeric(number="0"))
4559 @end example
4560
4561 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
4562 class may change between GiNaC versions.
4563
4564
4565 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
4566 @c    node-name, next, previous, up
4567 @chapter Extending GiNaC
4568
4569 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
4570 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
4571 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
4572 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
4573 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
4574 authors---they will happily incorporate them into future versions.
4575
4576 @menu
4577 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
4578 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
4579 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes.
4580 @end menu
4581
4582
4583 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
4584 @c    node-name, next, previous, up
4585 @section What doesn't belong into GiNaC
4586
4587 @cindex @command{ginsh}
4588 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
4589 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
4590 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
4591 language.  There are no loops or conditional expressions in
4592 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
4593 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
4594 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
4595 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
4596 the future.
4597
4598 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
4599 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
4600 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
4601 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
4602 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
4603 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
4604 provided by CLN are much better suited.
4605
4606
4607 @node Symbolic functions, Adding classes, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
4608 @c    node-name, next, previous, up
4609 @section Symbolic functions
4610
4611 The easiest and most instructive way to start with is probably to
4612 implement your own function.  GiNaC's functions are objects of class
4613 @code{function}.  The preprocessor is then used to convert the function
4614 names to objects with a corresponding serial number that is used
4615 internally to identify them.  You usually need not worry about this
4616 number.  New functions may be inserted into the system via a kind of
4617 `registry'.  It is your responsibility to care for some functions that
4618 are called when the user invokes certain methods.  These are usual
4619 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
4620 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
4621 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
4622 function that is called when one wishes to @code{eval} it.  It could
4623 look something like this:
4624
4625 @example
4626 static ex cos_eval_method(const ex & x)
4627 @{
4628     // if (!x%(2*Pi)) return 1
4629     // if (!x%Pi) return -1
4630     // if (!x%Pi/2) return 0
4631     // care for other cases...
4632     return cos(x).hold();
4633 @}
4634 @end example
4635
4636 @cindex @code{hold()}
4637 @cindex evaluation
4638 The last line returns @code{cos(x)} if we don't know what else to do and
4639 stops a potential recursive evaluation by saying @code{.hold()}, which
4640 sets a flag to the expression signaling that it has been evaluated.  We
4641 should also implement a method for numerical evaluation and since we are
4642 lazy we sweep the problem under the rug by calling someone else's
4643 function that does so, in this case the one in class @code{numeric}:
4644
4645 @example
4646 static ex cos_evalf(const ex & x)
4647 @{
4648     if (is_a<numeric>(x))
4649         return cos(ex_to<numeric>(x));
4650     else
4651         return cos(x).hold();
4652 @}
4653 @end example
4654
4655 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
4656 what the first derivative is (higher derivatives (@code{.diff(x,3)} for
4657 instance are then handled automatically by @code{basic::diff} and
4658 @code{ex::diff}):
4659
4660 @example
4661 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
4662 @{
4663     return -sin(x);
4664 @}
4665 @end example
4666
4667 @cindex product rule
4668 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
4669 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
4670 case the function has more than one parameter and its main application
4671 is for correct handling of the chain rule.  For Taylor expansion, it is
4672 enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
4673 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
4674 write another method for Laurent expansion around that point.
4675
4676 Now that all the ingredients for @code{cos} have been set up, we need
4677 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
4678 going to describe how it expands, please consult your preprocessor if you
4679 are curious:
4680
4681 @example
4682 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
4683                        evalf_func(cos_evalf).
4684                        derivative_func(cos_deriv));
4685 @end example
4686
4687 The first argument is the function's name used for calling it and for
4688 output.  The second binds the corresponding methods as options to this
4689 object.  Options are separated by a dot and can be given in an arbitrary
4690 order.  GiNaC functions understand several more options which are always
4691 specified as @code{.option(params)}, for example a method for series
4692 expansion @code{.series_func(cos_series)}.  Again, if no series
4693 expansion method is given, GiNaC defaults to simple Taylor expansion,
4694 which is correct if there are no poles involved as is the case for the
4695 @code{cos} function.  The way GiNaC handles poles in case there are any
4696 is best understood by studying one of the examples, like the Gamma
4697 (@code{tgamma}) function for instance.  (In essence the function first
4698 checks if there is a pole at the evaluation point and falls back to
4699 Taylor expansion if there isn't.  Then, the pole is regularized by some
4700 suitable transformation.)  Also, the new function needs to be declared
4701 somewhere.  This may also be done by a convenient preprocessor macro:
4702
4703 @example
4704 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
4705 @end example
4706
4707 The suffix @code{_1P} stands for @emph{one parameter}.  Of course, this
4708 implementation of @code{cos} is very incomplete and lacks several safety
4709 mechanisms.  Please, have a look at the real implementation in GiNaC.
4710 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
4711 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes.  We
4712 have done our best to avoid macros where we can.)
4713
4714
4715 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Symbolic functions, Extending GiNaC
4716 @c    node-name, next, previous, up
4717 @section Adding classes
4718
4719 If you are doing some very specialized things with GiNaC you may find that
4720 you have to implement your own algebraic classes to fit your needs. This
4721 section will explain how to do this by giving the example of a simple
4722 'string' class. After reading this section you will know how to properly
4723 declare a GiNaC class and what the minimum required member functions are
4724 that you have to implement. We only cover the implementation of a 'leaf'
4725 class here (i.e. one that doesn't contain subexpressions). Creating a
4726 container class like, for example, a class representing tensor products is
4727 more involved but this section should give you enough information so you can
4728 consult the source to GiNaC's predefined classes if you want to implement
4729 something more complicated.
4730
4731 @subsection GiNaC's run-time type information system
4732
4733 @cindex hierarchy of classes
4734 @cindex RTTI
4735 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
4736 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
4737 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
4738 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
4739 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
4740 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
4741 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
4742 system that provides this kind of information is called a run-time type
4743 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
4744 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
4745 implements its own, simpler RTTI.
4746
4747 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
4748
4749 @itemize @bullet
4750
4751 @item
4752 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
4753 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
4754 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
4755 classes. They all start with @code{TINFO_}.
4756
4757 @item
4758 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
4759 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
4760 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
4761 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
4762 @file{registrar.h} header file.
4763
4764 @end itemize
4765
4766 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
4767 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
4768 or less automatic) but don't worry, most of the work is simplified by
4769 macros.
4770
4771 @subsection A minimalistic example
4772
4773 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
4774 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
4775 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
4776 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
4777 for your own classes.
4778
4779 The code snippets given here assume that you have included some header files
4780 as follows:
4781
4782 @example
4783 #include <iostream>
4784 #include <string>   
4785 #include <stdexcept>
4786 using namespace std;
4787
4788 #include <ginac/ginac.h>
4789 using namespace GiNaC;
4790 @end example
4791
4792 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
4793 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
4794 by one of the existing classes but it's better to come up with something
4795 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
4796 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
4797 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
4798
4799 @example
4800 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
4801 @end example
4802
4803 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
4804 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
4805 object from a C or C++ string:
4806
4807 @example
4808 class mystring : public basic
4809 @{
4810     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4811   
4812 public:
4813     mystring(const string &s);
4814     mystring(const char *s);
4815
4816 private:
4817     string str;
4818 @};
4819
4820 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4821 @end example
4822
4823 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
4824 macros are defined in @file{registrar.h}.  They take the name of the class
4825 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
4826 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
4827 the first line after the opening brace of the class definition. The
4828 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
4829 source (at global scope, of course, not inside a function).
4830
4831 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
4832 declarations of the default and copy constructor, the destructor, the
4833 assignment operator and a couple of other functions that are required.  It
4834 also defines a type @code{inherited} which refers to the superclass so you
4835 don't have to modify your code every time you shuffle around the class
4836 hierarchy.  @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} implements the copy
4837 constructor, the destructor and the assignment operator.
4838
4839 Now there are nine member functions we have to implement to get a working
4840 class:
4841
4842 @itemize
4843
4844 @item
4845 @code{mystring()}, the default constructor.
4846
4847 @item
4848 @code{void destroy(bool call_parent)}, which is used in the destructor and the
4849 assignment operator to free dynamically allocated members. The @code{call_parent}
4850 specifies whether the @code{destroy()} function of the superclass is to be
4851 called also.
4852
4853 @item
4854 @code{void copy(const mystring &other)}, which is used in the copy constructor
4855 and assignment operator to copy the member variables over from another
4856 object of the same class.
4857
4858 @item
4859 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
4860 information needed to reconstruct an object of this class inside an
4861 @code{archive_node}.
4862
4863 @item
4864 @code{mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the unarchiving
4865 constructor. This constructs an instance of the class from the information
4866 found in an @code{archive_node}.
4867
4868 @item
4869 @code{ex unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the static
4870 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
4871 constructor.
4872
4873 @item
4874 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
4875 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
4876 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
4877 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
4878 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
4879 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
4880 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
4881 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
4882 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
4883 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
4884 defined.
4885
4886 @item
4887 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
4888 which are the two constructors we declared.
4889
4890 @end itemize
4891
4892 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
4893
4894 @example
4895 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring)
4896 @{
4897     // dynamically allocate resources here if required
4898 @}
4899 @end example
4900
4901 The golden rule is that in all constructors you have to set the
4902 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
4903 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
4904 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
4905 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
4906 (remember that in our case @code{inherited = basic}).  If the superclass
4907 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
4908 to the right value manually.
4909
4910 In the default constructor you should set all other member variables to
4911 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
4912 member gets set to an empty string automatically). The constructor(s) are of
4913 course also the right place to allocate any dynamic resources you require.
4914
4915 Next, the @code{destroy()} function:
4916
4917 @example
4918 void mystring::destroy(bool call_parent)
4919 @{
4920     // free dynamically allocated resources here if required
4921     if (call_parent)
4922         inherited::destroy(call_parent);
4923 @}
4924 @end example
4925
4926 This function is where we free all dynamically allocated resources.  We
4927 don't have any so we're not doing anything here, but if we had, for
4928 example, used a C-style @code{char *} to store our string, this would be
4929 the place to @code{delete[]} the string storage. If @code{call_parent}
4930 is true, we have to call the @code{destroy()} function of the superclass
4931 after we're done (to mimic C++'s automatic invocation of superclass
4932 destructors where @code{destroy()} is called from outside a destructor).
4933
4934 The @code{copy()} function just copies over the member variables from
4935 another object:
4936
4937 @example
4938 void mystring::copy(const mystring &other)
4939 @{
4940     inherited::copy(other);
4941     str = other.str;
4942 @}
4943 @end example
4944
4945 We can simply overwrite the member variables here. There's no need to worry
4946 about dynamically allocated storage.  The assignment operator (which is
4947 automatically defined by @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}, as you
4948 recall) calls @code{destroy()} before it calls @code{copy()}. You have to
4949 explicitly call the @code{copy()} function of the superclass here so
4950 all the member variables will get copied.
4951
4952 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
4953 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
4954 is really simple.  First, the archiving function:
4955
4956 @example
4957 void mystring::archive(archive_node &n) const
4958 @{
4959     inherited::archive(n);
4960     n.add_string("string", str);
4961 @}
4962 @end example
4963
4964 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
4965 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
4966 deem necessary for representing the object into the passed
4967 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
4968 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
4969 file.
4970
4971 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
4972 function:
4973
4974 @example
4975 mystring::mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
4976 @{
4977     n.find_string("string", str);
4978 @}
4979 @end example
4980
4981 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
4982 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
4983 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
4984 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
4985
4986 Finally, the unarchiving function:
4987
4988 @example
4989 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)
4990 @{
4991     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
4992 @}
4993 @end example
4994
4995 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
4996 four lines into your code literally (replacing the class name, of
4997 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
4998 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
4999 to global objects) you don't need a different implementation. For those
5000 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
5001 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
5002 automatically once it is no longer referenced.
5003
5004 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
5005 the string members:
5006
5007 @example
5008 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
5009 @{
5010     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
5011     int cmpval = str.compare(o.str);
5012     if (cmpval == 0)
5013         return 0;
5014     else if (cmpval < 0)
5015         return -1;
5016     else
5017         return 1;
5018 @}
5019 @end example
5020
5021 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
5022 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
5023 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
5024 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
5025 all relevant member variables.
5026
5027 Now the only thing missing is our two new constructors:
5028
5029 @example
5030 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
5031 @{
5032     // dynamically allocate resources here if required
5033 @}
5034
5035 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
5036 @{
5037     // dynamically allocate resources here if required
5038 @}
5039 @end example
5040
5041 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
5042 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
5043
5044 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
5045 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
5046
5047 @example
5048 ex e = mystring("Hello, world!");
5049 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
5050  // -> 1 (true)
5051
5052 cout << e.bp->class_name() << endl;
5053  // -> mystring
5054 @end example
5055
5056 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
5057
5058 @example
5059 cout << e << endl;
5060  // -> [mystring object]
5061 @end example
5062
5063 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
5064 doesn't yet know how to print itself. This is done in the @code{print()}
5065 member function. Let's say that we wanted to print the string surrounded
5066 by double quotes:
5067
5068 @example
5069 class mystring : public basic
5070 @{
5071     ...
5072 public:
5073     void print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
5074     ...
5075 @};
5076
5077 void mystring::print(const print_context &c, unsigned level) const
5078 @{
5079     // print_context::s is a reference to an ostream
5080     c.s << '\"' << str << '\"';
5081 @}
5082 @end example
5083
5084 The @code{level} argument is only required for container classes to
5085 correctly parenthesize the output. Let's try again to print the expression:
5086
5087 @example
5088 cout << e << endl;
5089  // -> "Hello, world!"
5090 @end example
5091
5092 Much better. The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
5093
5094 @example
5095 e += mystring("GiNaC rulez"); 
5096 cout << e << endl;
5097  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
5098 @end example
5099
5100 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
5101
5102 @example
5103 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
5104 cout << e << endl;
5105  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
5106 @end example
5107
5108 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
5109 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
5110 for your objects.
5111
5112 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
5113
5114 @example
5115 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
5116 cout << e << endl;
5117  // -> "Wow"^2
5118
5119 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
5120 cout << e.expand() << endl;
5121  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
5122 @end example
5123
5124 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
5125 concatenation. You would have to implement this yourself.
5126
5127 @subsection Automatic evaluation
5128
5129 @cindex @code{hold()}
5130 @cindex @code{eval()}
5131 @cindex evaluation
5132 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
5133 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
5134 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
5135 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
5136 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
5137 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
5138
5139 @example
5140 class mystring : public basic
5141 @{
5142     ...
5143 public:
5144     ex eval(int level = 0) const;
5145     ...
5146 @};
5147
5148 ex mystring::eval(int level) const
5149 @{
5150     string new_str;
5151     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
5152         char c = str[i];
5153         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
5154             new_str += tolower(c);
5155         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
5156             new_str += c;
5157     @}
5158
5159     if (new_str.length() == 0)
5160         return 0;
5161     else
5162         return mystring(new_str).hold();
5163 @}
5164 @end example
5165
5166 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
5167 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
5168 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
5169 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
5170 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
5171 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
5172 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
5173 unmodified, use @code{return this->hold();}.
5174
5175 Let's confirm that it works:
5176
5177 @example
5178 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
5179 cout << e << endl;
5180  // -> "helloworld"
5181
5182 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
5183 cout << e << endl;
5184  // -> 3*"wow"
5185 @end example
5186
5187 @subsection Other member functions
5188
5189 We have implemented only a small set of member functions to make the class
5190 work in the GiNaC framework. For a real algebraic class, there are probably
5191 some more functions that you will want to re-implement, such as
5192 @code{evalf()}, @code{series()} or @code{op()}. Have a look at @file{basic.h}
5193 or the header file of the class you want to make a subclass of to see
5194 what's there. One member function that you will most likely want to
5195 implement for terminal classes like the described string class is
5196 @code{calcchash()} that returns an @code{unsigned} hash value for the object
5197 which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much more
5198 efficiently.
5199
5200 You can, of course, also add your own new member functions. Remember,
5201 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
5202 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
5203 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
5204 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
5205 should become a need.
5206
5207 That's it. May the source be with you!
5208
5209
5210 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
5211 @c    node-name, next, previous, up
5212 @chapter A Comparison With Other CAS
5213 @cindex advocacy
5214
5215 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
5216 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
5217 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
5218 disadvantages over these systems.
5219
5220 @menu
5221 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
5222 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
5223 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
5224 @end menu
5225
5226 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
5227 @c    node-name, next, previous, up
5228 @section Advantages
5229
5230 GiNaC has several advantages over traditional Computer
5231 Algebra Systems, like 
5232
5233 @itemize @bullet
5234
5235 @item
5236 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
5237 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
5238 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
5239 in common C++, which is standardized.
5240
5241 @cindex STL
5242 @item
5243 structured data types: you can build up structured data types using
5244 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
5245 using unnamed lists of lists of lists.
5246
5247 @item
5248 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
5249 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
5250 nice for novice programmers, but dangerous.
5251     
5252 @item
5253 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
5254 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
5255 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
5256
5257 @item
5258 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
5259 separating interface and implementation.
5260
5261 @item
5262 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
5263 that it is free and available with source code.  And there are excellent
5264 C++-compilers for free, too.
5265     
5266 @item
5267 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
5268 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
5269 usually only extend on a high level by writing in the language defined
5270 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
5271 fix bugs in a traditional system.
5272
5273 @item
5274 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
5275 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
5276 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
5277 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
5278 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
5279 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
5280 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
5281 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
5282 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
5283 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
5284 FTP-site.
5285
5286 @item
5287 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
5288 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
5289 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
5290 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
5291 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
5292 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
5293 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
5294 system (i.e. @emph{Yacas}).
5295
5296 @item
5297 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
5298 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
5299 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
5300 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
5301 speed with other CAS.
5302
5303 @end itemize
5304
5305
5306 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
5307 @c    node-name, next, previous, up
5308 @section Disadvantages
5309
5310 Of course it also has some disadvantages:
5311
5312 @itemize @bullet
5313
5314 @item
5315 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
5316 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
5317 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
5318 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
5319 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
5320 not planned for the near future).
5321
5322 @item
5323 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
5324 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
5325 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
5326 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
5327 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
5328 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
5329 macros to let the compiler gather all static initializations, which
5330 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
5331 really believe that you need to use a different compiler.  We have
5332 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
5333 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
5334 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
5335 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
5336 yet ANSI compliant, support all needed features.
5337     
5338 @end itemize
5339
5340
5341 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
5342 @c    node-name, next, previous, up
5343 @section Why C++?
5344
5345 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
5346 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
5347 possible), separation between interface and implementation is not
5348 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
5349 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
5350 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
5351 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
5352 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
5353 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
5354 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
5355 any other programming language.
5356
5357
5358 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
5359 @c    node-name, next, previous, up
5360 @appendix Internal Structures
5361
5362 @menu
5363 * Expressions are reference counted::
5364 * Internal representation of products and sums::
5365 @end menu
5366
5367 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
5368 @c    node-name, next, previous, up
5369 @appendixsection Expressions are reference counted
5370
5371 @cindex reference counting
5372 @cindex copy-on-write
5373 @cindex garbage collection
5374 An expression is extremely light-weight since internally it works like a
5375 handle to the actual representation and really holds nothing more than a
5376 pointer to some other object.  What this means in practice is that
5377 whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the first
5378 no copying process is involved. Instead, the copying takes place as soon
5379 as you try to change the second.  Consider the simple sequence of code:
5380
5381 @example
5382 #include <iostream>
5383 #include <ginac/ginac.h>
5384 using namespace std;
5385 using namespace GiNaC;
5386
5387 int main()
5388 @{
5389     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5390     ex e1, e2;
5391
5392     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5393     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
5394     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
5395     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
5396     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
5397 @}
5398 @end example
5399
5400 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
5401 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
5402 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
5403 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
5404 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
5405 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
5406 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
5407 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
5408 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
5409 the object it points to too and deletes the object from memory if that
5410 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
5411 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
5412 can be:
5413
5414 @example
5415 @{
5416     symbol x("x"), y("y");
5417
5418     ex e1 = x + 3*y;
5419     ex e2 = pow(e1, 3);
5420     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
5421     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
5422          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
5423          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
5424 @}
5425 @end example
5426
5427 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
5428 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
5429 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
5430 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
5431 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
5432 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
5433 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
5434 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
5435 @code{3*e1^2}.
5436
5437 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
5438 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
5439 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
5440 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
5441 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
5442 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
5443 semantics, we recommend you have a look at the
5444 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
5445 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
5446 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
5447
5448
5449 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
5450 @c    node-name, next, previous, up
5451 @appendixsection Internal representation of products and sums
5452
5453 @cindex representation
5454 @cindex @code{add}
5455 @cindex @code{mul}
5456 @cindex @code{power}
5457 Although it should be completely transparent for the user of
5458 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
5459 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
5460 unexpanded symbolic expression 
5461 @tex
5462 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
5463 @end tex
5464 @ifnottex
5465 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
5466 @end ifnottex
5467 which could naively be represented by a tree of linear containers for
5468 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
5469 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
5470 fashion:
5471
5472 @image{repnaive}
5473
5474 @cindex pair-wise representation
5475 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
5476 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
5477 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
5478 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
5479 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
5480 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
5481 becomes much more flat:
5482
5483 @image{reppair}
5484
5485 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
5486 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
5487 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
5488 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
5489 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
5490 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
5491 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
5492 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
5493 representation, however, since they are still carrying a trivial
5494 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
5495 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
5496 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
5497 representation for
5498 @tex
5499 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
5500 @end tex
5501 @ifnottex
5502 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
5503 @end ifnottex
5504
5505 @image{repreal}
5506
5507 @cindex radical
5508 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
5509 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
5510 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
5511 same abstract class: the data representation is the same, only the
5512 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
5513 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
5514 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
5515
5516
5517 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
5518 @c    node-name, next, previous, up
5519 @appendix Package Tools
5520
5521 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
5522 setting the correct command line options for the compiler and linker
5523 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
5524
5525 @menu
5526 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
5527 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
5528 @end menu
5529
5530
5531 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
5532 @c    node-name, next, previous, up
5533 @section @command{ginac-config}
5534 @cindex ginac-config
5535
5536 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
5537 the compiler and linker command line options required to compile and
5538 link a program with the GiNaC library.
5539
5540 @command{ginac-config} takes the following flags:
5541
5542 @table @samp
5543 @item --version
5544 Prints out the version of GiNaC installed.
5545 @item --cppflags
5546 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
5547 @item --libs
5548 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
5549 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
5550 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
5551 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
5552 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
5553 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
5554 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
5555 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
5556 @end table
5557
5558 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
5559 script, as described below. It, however, can also be used directly from
5560 the command line using backquotes to compile a simple program. For
5561 example:
5562
5563 @example
5564 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
5565 @end example
5566
5567 This command line might expand to (for example):
5568
5569 @example
5570 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
5571   -lginac -lcln -lstdc++
5572 @end example
5573
5574 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
5575 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
5576
5577
5578 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
5579 @c    node-name, next, previous, up
5580 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
5581 @cindex AM_PATH_GINAC
5582
5583 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
5584 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
5585
5586 @example
5587 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
5588 @end example
5589
5590 This macro:
5591
5592 @itemize @bullet
5593
5594 @item
5595 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
5596 either found in the user's path, or from the environment variable
5597 @env{GINACLIB_CONFIG}.
5598
5599 @item
5600 Tests the installed libraries to make sure that their version
5601 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
5602 if not specified)
5603
5604 @item
5605 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
5606 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
5607 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
5608 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
5609 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
5610
5611 @item
5612 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
5613 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
5614
5615 @end itemize
5616
5617 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
5618 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
5619 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
5620 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
5621 aclocal the @samp{-I} option when running it.
5622
5623 @menu
5624 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
5625 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
5626 @end menu
5627
5628
5629 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
5630 @c    node-name, next, previous, up
5631 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
5632
5633 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
5634 the configure script.
5635
5636 Notes:
5637
5638 @itemize @bullet
5639
5640 @item
5641 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
5642 to be found by your system's dynamic linker.
5643   
5644 This is generally done by
5645
5646 @display
5647 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
5648 @end display
5649
5650 or by
5651    
5652 @display
5653 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
5654 @end display
5655
5656 or, as a last resort, 
5657  
5658 @display
5659 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
5660 running configure, for instance:
5661
5662 @example
5663 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
5664 @end example
5665 @end display
5666
5667 @item
5668 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
5669 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
5670 name of the executable
5671
5672 @item
5673 If you move the GiNaC package from its installed location,
5674 you will either need to modify @command{ginac-config} script
5675 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
5676
5677 @end itemize
5678
5679 Advanced note:
5680
5681 @itemize @bullet
5682 @item
5683 configure flags
5684   
5685 @example
5686 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
5687 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
5688 @end example
5689
5690 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
5691 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
5692 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
5693 @end itemize
5694
5695
5696 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
5697 @c    node-name, next, previous, up
5698 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
5699
5700 The following shows how to build a simple package using automake
5701 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
5702
5703 @example
5704 #include <ginac/ginac.h>
5705
5706 int main(void)
5707 @{
5708     GiNaC::symbol x("x");
5709     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
5710     std::cout << "Derivative of " << a 
5711               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
5712     return 0;
5713 @}
5714 @end example
5715
5716 You should first read the introductory portions of the automake
5717 Manual, if you are not already familiar with it.
5718
5719 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
5720 configure script:
5721
5722 @example
5723 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
5724 AC_INIT(simple.cpp)
5725 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
5726
5727 AC_PROG_CXX
5728 AC_PROG_INSTALL
5729 AC_LANG_CPLUSPLUS
5730
5731 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
5732   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
5733   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
5734 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
5735
5736 AC_OUTPUT(Makefile)
5737 @end example
5738
5739 The only command in this which is not standard for automake
5740 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
5741
5742 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
5743 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
5744 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
5745 the error message `need to have GiNaC installed'
5746
5747 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
5748
5749 @example
5750 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
5751 bin_PROGRAMS = simple
5752 simple_SOURCES = simple.cpp
5753 @end example
5754
5755 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
5756 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
5757 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
5758 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
5759 want to specify them on a per-program basis: for instance by
5760 adding the lines:
5761
5762 @example
5763 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
5764 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
5765 @end example
5766
5767 to the @file{Makefile.am}.
5768
5769 To try this example out, create a new directory and add the three
5770 files above to it.
5771
5772 Now execute the following commands:
5773
5774 @example
5775 $ automake --add-missing
5776 $ aclocal
5777 $ autoconf
5778 @end example
5779
5780 You now have a package that can be built in the normal fashion
5781
5782 @example
5783 $ ./configure
5784 $ make
5785 $ make install
5786 @end example
5787
5788
5789 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
5790 @c    node-name, next, previous, up
5791 @appendix Bibliography
5792
5793 @itemize @minus{}
5794
5795 @item
5796 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
5797
5798 @item
5799 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
5800
5801 @item
5802 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
5803
5804 @item
5805 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
5806
5807 @item
5808 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
5809 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
5810
5811 @item
5812 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
5813 James H. Davenport, Yvon Siret, and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
5814 Academic Press, London
5815
5816 @item
5817 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
5818 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
5819
5820 @item
5821 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
5822 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
5823
5824 @item
5825 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
5826
5827 @end itemize
5828
5829
5830 @node Concept Index, , Bibliography, Top
5831 @c    node-name, next, previous, up
5832 @unnumbered Concept Index
5833
5834 @printindex cp
5835
5836 @bye