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