]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
* Fix typo. (Hi Keith!)
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2004 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{} 1999-2004 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 @end menu
689
690
691 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
692 @c    node-name, next, previous, up
693 @section Expressions
694 @cindex expression (class @code{ex})
695 @cindex @code{has()}
696
697 The most common class of objects a user deals with is the expression
698 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
699 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
700 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
701 little collection of valid expressions:
702
703 @example
704 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
705 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
706 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
707 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
708 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
709 @end example
710
711 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
712 contain other expressions thus creating a tree of expressions
713 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
714 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
715 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
716 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
717 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
718 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
719
720 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
721 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
722 @code{ex}.
723
724 @subsection Note: Expressions and STL containers
725
726 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
727 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
728 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
729 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
730
731 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
732 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
733 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
734 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
735 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
736
737 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
738 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
739
740 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
741 expressions.
742
743
744 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
745 @c    node-name, next, previous, up
746 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
747 @cindex evaluation
748
749 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
750 them and put them into a canonical form. Some examples:
751
752 @example
753 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
754 ex MyEx2 = x - x;        // 0
755 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
756 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
757 @end example
758
759 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
760 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
761
762 @itemize @bullet
763 @item
764 at most of complexity
765 @tex
766 $O(n\log n)$
767 @end tex
768 @ifnottex
769 @math{O(n log n)}
770 @end ifnottex
771 @item
772 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
773 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
774 @end itemize
775
776 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
777 behave in an entirely obvious way at first glance:
778
779 @itemize
780 @item
781 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
782 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
783 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
784 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
785 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
786 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
787 canonical form.
788 @item
789 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
790 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
791 example
792 @example
793 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
794 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
795 @end example
796 @end itemize
797
798 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
799 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
800 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
801 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
802 some immediate simplifications.
803
804 @cindex @code{eval()}
805 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
806
807 @example
808 ex ex::eval(int level = 0) const;
809 ex basic::eval(int level = 0) const;
810 @end example
811
812 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
813 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
814 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
815 re-evaluate their results.
816
817
818 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
819 @c    node-name, next, previous, up
820 @section Error handling
821 @cindex exceptions
822 @cindex @code{pole_error} (class)
823
824 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
825 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
826 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
827 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
828 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
829 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
830 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
831 at a singularity.
832
833 The @code{pole_error} class has a member function
834
835 @example
836 int pole_error::degree() const;
837 @end example
838
839 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
840 logarithmic or the order is undefined).
841
842 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
843 the main program even if you don't want to do any special error handling.
844 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
845 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
846 usually only aborts the program without giving any information what went
847 wrong.
848
849 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
850 exceptions generated by GiNaC:
851
852 @example
853 #include <iostream>
854 #include <stdexcept>
855 #include <ginac/ginac.h>
856 using namespace std;
857 using namespace GiNaC;
858
859 int main()
860 @{
861     try @{
862         ...
863         // code using GiNaC
864         ...
865     @} catch (exception &p) @{
866         cerr << p.what() << endl;
867         return 1;
868     @}
869     return 0;
870 @}
871 @end example
872
873
874 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
875 @c    node-name, next, previous, up
876 @section The Class Hierarchy
877
878 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
879 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
880 helpers) are internally derived from one abstract base class called
881 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
882 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
883 containers of expressions and so on.
884
885 @cindex container
886 @cindex atom
887 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
888 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
889 some of the relations among the classes:
890
891 @image{classhierarchy}
892
893 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
894 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
895 duplication if two or more classes derived from them share certain
896 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
897 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
898 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
899 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
900 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
901 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
902 are stored in the different classes:
903
904 @cartouche
905 @multitable @columnfractions .22 .78
906 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
907 @item @code{constant} @tab Constants like 
908 @tex
909 $\pi$
910 @end tex
911 @ifnottex
912 @math{Pi}
913 @end ifnottex
914 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
915 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
916 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
917 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
918 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
919 @tex
920 $\sqrt{2}$
921 @end tex
922 @ifnottex
923 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
924 @end ifnottex
925 @dots{}
926 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
927 @item @code{function} @tab A symbolic function like
928 @tex
929 $\sin 2x$
930 @end tex
931 @ifnottex
932 @math{sin(2*x)}
933 @end ifnottex
934 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
935 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
936 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
937 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
938 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
939 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
940 @item @code{varidx} @tab Index with variance
941 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
942 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
943 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
944 @end multitable
945 @end cartouche
946
947
948 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
949 @c    node-name, next, previous, up
950 @section Symbols
951 @cindex @code{symbol} (class)
952 @cindex hierarchy of classes
953
954 @cindex atom
955 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
956 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
957 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
958 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
959 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
960 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
961 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
962 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
963 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
964 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
965 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
966 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
967 come across examples of such symbols later in this tutorial.
968
969 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
970 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
971 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
972 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
973 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
974 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
975 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
976 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
977 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
978 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
979
980 @cindex @code{realsymbol()}
981 Symbols are expected to stand in for complex values by default, i.e. they live
982 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
983 for example (see @ref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
984 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
985 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
986 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
987 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
988 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
989 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
990
991 @cindex @code{subs()}
992 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
993 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
994 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
995 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
996
997
998 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
999 @c    node-name, next, previous, up
1000 @section Numbers
1001 @cindex @code{numeric} (class)
1002
1003 @cindex GMP
1004 @cindex CLN
1005 @cindex rational
1006 @cindex fraction
1007 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1008 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1009 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1010 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1011 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1012 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1013 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1014 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1015 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1016 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1017 several useful things: First, it introduces the complex number field
1018 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1019 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1020 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1021 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1022 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1023 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1024 calculation of some useful constants.
1025
1026 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1027 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1028 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1029 integers, construction from C-float and construction from a string:
1030
1031 @example
1032 #include <iostream>
1033 #include <ginac/ginac.h>
1034 using namespace GiNaC;
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1039     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1040     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1041     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1042     // Trott's constant in scientific notation:
1043     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1044     
1045     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1046     ...
1047 @end example
1048
1049 @cindex @code{I}
1050 @cindex complex numbers
1051 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1052 name @code{I}:
1053
1054 @example
1055     ...
1056     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1057     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1058 @}
1059 @end example
1060
1061 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1062 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1063 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1064 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1065 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1066 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1067 also.
1068
1069 @cindex @code{Digits}
1070 @cindex accuracy
1071 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1072 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1073 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1074 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1075 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1076 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1077 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1078 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1079 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1080 digits:
1081
1082 @example
1083 #include <iostream>
1084 #include <ginac/ginac.h>
1085 using namespace std;
1086 using namespace GiNaC;
1087
1088 void foo()
1089 @{
1090     numeric three(3.0), one(1.0);
1091     numeric x = one/three;
1092
1093     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1094     cout << x << endl;
1095     cout << Pi.evalf() << endl;
1096 @}
1097
1098 int main()
1099 @{
1100     foo();
1101     Digits = 60;
1102     foo();
1103     return 0;
1104 @}
1105 @end example
1106
1107 The above example prints the following output to screen:
1108
1109 @example
1110 in 17 digits:
1111 0.33333333333333333334
1112 3.1415926535897932385
1113 in 60 digits:
1114 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1115 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1116 @end example
1117
1118 @cindex rounding
1119 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1120 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1121 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1122 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1123 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1124 architectures with different word size, the above output might even
1125 differ with regard to actually computed digits.
1126
1127 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1128 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1129 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1130
1131 @subsection Tests on numbers
1132
1133 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1134 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1135 kind of information from them like asking whether that number is
1136 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1137 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1138 certain CLN functions.)
1139
1140 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1141 some multiple of its denominator and test what comes out:
1142
1143 @example
1144 #include <iostream>
1145 #include <ginac/ginac.h>
1146 using namespace std;
1147 using namespace GiNaC;
1148
1149 // some very important constants:
1150 const numeric twentyone(21);
1151 const numeric ten(10);
1152 const numeric five(5);
1153
1154 int main()
1155 @{
1156     numeric answer = twentyone;
1157
1158     answer /= five;
1159     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1160     answer *= ten;
1161     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1162 @}
1163 @end example
1164
1165 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1166 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1167 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1168 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1169 the result is automatically converted to a pure integer again.
1170 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1171 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1172 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1173 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1174 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1175 can be applied is listed in the following table.
1176
1177 @cartouche
1178 @multitable @columnfractions .30 .70
1179 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1180 @item @code{.is_zero()}
1181 @tab @dots{}equal to zero
1182 @item @code{.is_positive()}
1183 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1184 @item @code{.is_integer()}
1185 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1186 @item @code{.is_pos_integer()}
1187 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1188 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1189 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1190 @item @code{.is_even()}
1191 @tab @dots{}an even integer
1192 @item @code{.is_odd()}
1193 @tab @dots{}an odd integer
1194 @item @code{.is_prime()}
1195 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1196 @item @code{.is_rational()}
1197 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1198 @item @code{.is_real()}
1199 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1200 @item @code{.is_cinteger()}
1201 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1202 @item @code{.is_crational()}
1203 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1204 @end multitable
1205 @end cartouche
1206
1207 @subsection Converting numbers
1208
1209 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1210 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1211 class provides a couple of methods for this purpose:
1212
1213 @cindex @code{to_int()}
1214 @cindex @code{to_long()}
1215 @cindex @code{to_double()}
1216 @cindex @code{to_cl_N()}
1217 @example
1218 int numeric::to_int() const;
1219 long numeric::to_long() const;
1220 double numeric::to_double() const;
1221 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1222 @end example
1223
1224 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1225 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1226 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1227 rational number will return a floating-point approximation. Both
1228 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1229 part of complex numbers.
1230
1231
1232 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1233 @c    node-name, next, previous, up
1234 @section Constants
1235 @cindex @code{constant} (class)
1236
1237 @cindex @code{Pi}
1238 @cindex @code{Catalan}
1239 @cindex @code{Euler}
1240 @cindex @code{evalf()}
1241 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1242 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1243
1244 The predefined known constants are:
1245
1246 @cartouche
1247 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1248 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1249 @item @code{Pi}
1250 @tab Archimedes' constant
1251 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1252 @item @code{Catalan}
1253 @tab Catalan's constant
1254 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1255 @item @code{Euler}
1256 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1257 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1258 @end multitable
1259 @end cartouche
1260
1261
1262 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1263 @c    node-name, next, previous, up
1264 @section Sums, products and powers
1265 @cindex polynomial
1266 @cindex @code{add}
1267 @cindex @code{mul}
1268 @cindex @code{power}
1269
1270 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1271 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1272 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1273 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1274 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1275 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1276 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1277 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1278
1279 @example
1280     ...
1281     symbol a("a"), b("b");
1282     ex MyTerm = 1+a*b;
1283     ...
1284 @end example
1285
1286 @cindex @code{pow()}
1287 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1288 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1289 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1290 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1291 have several counterintuitive and undesired effects:
1292
1293 @itemize @bullet
1294 @item
1295 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1296 @item
1297 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1298 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1299 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1300 @item
1301 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1302 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1303 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1304 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1305 has requested @code{2^3}.)
1306 @end itemize
1307
1308 @cindex @command{ginsh}
1309 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1310 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1311 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1312 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1313 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1314 not exist at all in C++).
1315
1316 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1317 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1318 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1319 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1320 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1321 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1322 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1323 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1324 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1325 @code{x} negative.
1326
1327 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1328 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1329 and safe simplifications are carried out like transforming
1330 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1331
1332
1333 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1334 @c    node-name, next, previous, up
1335 @section Lists of expressions
1336 @cindex @code{lst} (class)
1337 @cindex lists
1338 @cindex @code{nops()}
1339 @cindex @code{op()}
1340 @cindex @code{append()}
1341 @cindex @code{prepend()}
1342 @cindex @code{remove_first()}
1343 @cindex @code{remove_last()}
1344 @cindex @code{remove_all()}
1345
1346 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1347 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1348 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1349 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1350 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1351
1352 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1353 expressions:
1354
1355 @example
1356 @{
1357     symbol x("x"), y("y");
1358     lst l;
1359     l = x, 2, y, x+y;
1360     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1361     // in that order
1362     ...
1363 @end example
1364
1365 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1366 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1367
1368 @example
1369     ...
1370     // This produces the same list 'l' as above:
1371     // lst l(x, 2, y, x+y);
1372     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1373     ...
1374 @end example
1375
1376 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1377 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1378 individual elements:
1379
1380 @example
1381     ...
1382     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1383     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1384     ...
1385 @end example
1386
1387 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1388 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1389 sequential access to the elements of a list is possible with the
1390 iterator types provided by the @code{lst} class:
1391
1392 @example
1393 typedef ... lst::const_iterator;
1394 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1395 lst::const_iterator lst::begin() const;
1396 lst::const_iterator lst::end() const;
1397 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1398 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1399 @end example
1400
1401 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1402
1403 @example
1404     ...
1405     // O(N)
1406     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1407         cout << *i << endl;
1408     ...
1409 @end example
1410
1411 which is one order faster than
1412
1413 @example
1414     ...
1415     // O(N^2)
1416     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1417         cout << l.op(i) << endl;
1418     ...
1419 @end example
1420
1421 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1422 the C++ standard library:
1423
1424 @example
1425     ...
1426     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1427     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1428
1429     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1430     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1431     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1432     ...
1433 @end example
1434
1435 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1436 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1437
1438 @example
1439     ...
1440     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1441     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1442     ...
1443 @end example
1444
1445 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1446 and @code{prepend()} methods:
1447
1448 @example
1449     ...
1450     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1451     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1452     ...
1453 @end example
1454
1455 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1456 and @code{remove_last()}:
1457
1458 @example
1459     ...
1460     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1461     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1462     ...
1463 @end example
1464
1465 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1466
1467 @example
1468     ...
1469     l.remove_all();     // l is now empty
1470     ...
1471 @end example
1472
1473 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1474
1475 @example
1476     ...
1477     lst l1, l2;
1478     l1 = x, 2, y, x+y;
1479     l2 = 2, x+y, x, y;
1480     l1.sort();
1481     l2.sort();
1482     // l1 and l2 are now equal
1483     ...
1484 @end example
1485
1486 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1487 elements with @code{unique()}:
1488
1489 @example
1490     ...
1491     lst l3;
1492     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1493     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1494 @}
1495 @end example
1496
1497
1498 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1499 @c    node-name, next, previous, up
1500 @section Mathematical functions
1501 @cindex @code{function} (class)
1502 @cindex trigonometric function
1503 @cindex hyperbolic function
1504
1505 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1506 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1507 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1508
1509 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1510 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1511 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1512 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1513 the next example, showing how a function returns itself twice and
1514 finally an expression that may be really useful:
1515
1516 @cindex Gamma function
1517 @cindex @code{subs()}
1518 @example
1519     ...
1520     symbol x("x"), y("y");    
1521     ex foo = x+y/2;
1522     cout << tgamma(foo) << endl;
1523      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1524     ex bar = foo.subs(y==1);
1525     cout << tgamma(bar) << endl;
1526      // -> tgamma(x+1/2)
1527     ex foobar = bar.subs(x==7);
1528     cout << tgamma(foobar) << endl;
1529      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1530     ...
1531 @end example
1532
1533 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1534 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1535 this.
1536
1537 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1538 functions, where the argument list is templated.  This means that
1539 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1540 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1541 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1542 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1543 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1544 point number of class @code{numeric} you should call
1545 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1546 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1547 wrapped inside an @code{ex}.
1548
1549
1550 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1551 @c    node-name, next, previous, up
1552 @section Relations
1553 @cindex @code{relational} (class)
1554
1555 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1556 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1557 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1558 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1559 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1560 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1561
1562 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1563 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1564 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1565 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1566 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1567 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1568 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1569 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1570 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1571 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1572 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1573 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1574 @code{expand()} must be called explicitly.
1575
1576
1577 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1578 @c    node-name, next, previous, up
1579 @section Matrices
1580 @cindex @code{matrix} (class)
1581
1582 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1583 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1584 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1585 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1586
1587 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1588 elements. The constructor
1589
1590 @example
1591 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1592 @end example
1593
1594 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1595 set to zero.
1596
1597 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1598 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1599 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1600
1601 @example
1602 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1603 @end example
1604
1605 The function
1606
1607 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1608 @example
1609 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1610 @end example
1611
1612 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1613
1614 There is also a set of functions for creating some special types of
1615 matrices:
1616
1617 @cindex @code{diag_matrix()}
1618 @cindex @code{unit_matrix()}
1619 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1620 @example
1621 ex diag_matrix(const lst & l);
1622 ex unit_matrix(unsigned x);
1623 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1624 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1625 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1626 @end example
1627
1628 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1629 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1630 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1631 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1632 and the position of each element in the matrix.
1633
1634 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1635 operator:
1636
1637 @example
1638 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1639 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1640 @end example
1641
1642 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1643 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1644 @samp{[]} is not available.
1645
1646 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1647
1648 @example
1649 @{
1650     symbol a("a"), b("b");
1651
1652     matrix M(2, 2);
1653     M = a, 0,
1654         0, b;
1655     cout << M << endl;
1656      // -> [[a,0],[0,b]]
1657
1658     matrix M2(2, 2);
1659     M2(0, 0) = a;
1660     M2(1, 1) = b;
1661     cout << M2 << endl;
1662      // -> [[a,0],[0,b]]
1663
1664     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1665      // -> [[a,0],[0,b]]
1666
1667     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1668      // -> [[a,0],[0,b]]
1669
1670     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1671      // -> [[a,0],[0,b]]
1672
1673     cout << unit_matrix(3) << endl;
1674      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1675
1676     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1677      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1678 @}
1679 @end example
1680
1681 @cindex @code{transpose()}
1682 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1683 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1684
1685 @example
1686 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1687 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1688 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1689 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1690 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1691 matrix matrix::transpose() const;
1692 @end example
1693
1694 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1695 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1696 and @math{C}:
1697
1698 @example
1699 @{
1700     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
1701     A =  1, 2,
1702          3, 4;
1703     B = -1, 0,
1704          2, 1;
1705     C =  8, 4,
1706          2, 1;
1707
1708     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1709     cout << result << endl;
1710      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1711     ...
1712 @}
1713 @end example
1714
1715 @cindex @code{evalm()}
1716 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1717 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1718 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1719 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1720 method
1721
1722 @example
1723 ex ex::evalm() const;
1724 @end example
1725
1726 to obtain the result:
1727
1728 @example
1729 @{
1730     ...
1731     ex e = A*B - 2*C;
1732     cout << e << endl;
1733      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1734     cout << e.evalm() << endl;
1735      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1736     ...
1737 @}
1738 @end example
1739
1740 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1741 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1742 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1743 dealing with non-commutative expressions.
1744
1745 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1746 to perform the arithmetic:
1747
1748 @example
1749 @{
1750     ...
1751     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1752     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1753     cout << e << endl;
1754      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1755     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1756      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1757 @}
1758 @end example
1759
1760 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1761 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1762 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1763 more information about using matrices with indices, and about indices in
1764 general.
1765
1766 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1767 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1768
1769 @cindex @code{determinant()}
1770 @cindex @code{trace()}
1771 @cindex @code{charpoly()}
1772 @example
1773 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
1774 ex matrix::trace() const;
1775 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
1776 @end example
1777
1778 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
1779 between different algorithms for calculating the determinant.  The
1780 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
1781 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
1782 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
1783 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
1784 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
1785 quickly.
1786
1787 @cindex @code{inverse()}
1788 @cindex @code{solve()}
1789 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
1790 method and linear systems may be solved with:
1791
1792 @example
1793 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
1794 @end example
1795
1796 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
1797 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
1798 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
1799 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
1800 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
1801 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
1802 overdetermined, an exception is thrown.
1803
1804
1805 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1806 @c    node-name, next, previous, up
1807 @section Indexed objects
1808
1809 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1810 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1811 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1812 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1813
1814 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1815 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1816 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1817 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1818
1819 @cindex @code{idx} (class)
1820 @cindex @code{indexed} (class)
1821 @subsection Indexed quantities and their indices
1822
1823 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1824 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1825
1826 @itemize @bullet
1827
1828 @cindex contravariant
1829 @cindex covariant
1830 @cindex variance
1831 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1832 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1833 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1834 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1835 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1836 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1837
1838 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1839 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1840 one or more indices.
1841
1842 @end itemize
1843
1844 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1845 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1846 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1847 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1848 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1849 not visible in the output.
1850
1851 A simple example shall illustrate the concepts:
1852
1853 @example
1854 #include <iostream>
1855 #include <ginac/ginac.h>
1856 using namespace std;
1857 using namespace GiNaC;
1858
1859 int main()
1860 @{
1861     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1862     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1863
1864     symbol A("A");
1865     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1866      // -> A.i.j
1867     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
1868      // -> A.i[3].j[3]
1869     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
1870     ...
1871 @end example
1872
1873 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1874 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1875 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1876 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1877 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1878 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1879 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1880 @code{j}.
1881
1882 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
1883 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
1884 as shown above.
1885
1886 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1887 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1888 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1889 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1890 correct and will raise an exception:
1891
1892 @example
1893 symbol i("i"), j("j");
1894 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1895 @end example
1896
1897 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1898 be numeric, and index dimensions symbolic:
1899
1900 @example
1901     ...
1902     symbol B("B"), dim("dim");
1903     cout << 4 * indexed(A, i)
1904           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1905      // -> B.j.2.i+4*A.i
1906     ...
1907 @end example
1908
1909 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1910 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1911 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1912 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1913 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1914
1915 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1916 arbitrary expressions:
1917
1918 @example
1919     ...
1920     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1921      // -> (B+A).(1+2*i)
1922     ...
1923 @end example
1924
1925 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1926 get an error message from this but you will probably not be able to do
1927 anything useful with it.
1928
1929 @cindex @code{get_value()}
1930 @cindex @code{get_dimension()}
1931 The methods
1932
1933 @example
1934 ex idx::get_value();
1935 ex idx::get_dimension();
1936 @end example
1937
1938 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1939 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1940 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1941 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1942
1943 There are also the methods
1944
1945 @example
1946 bool idx::is_numeric();
1947 bool idx::is_symbolic();
1948 bool idx::is_dim_numeric();
1949 bool idx::is_dim_symbolic();
1950 @end example
1951
1952 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1953 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1954 About Expressions}) returns information about the index value.
1955
1956 @cindex @code{varidx} (class)
1957 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1958
1959 @example
1960     ...
1961     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1962     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1963     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1964
1965     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1966      // -> A~mu~nu
1967     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1968      // -> A.mu~nu
1969     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1970      // -> A.mu~nu
1971     ...
1972 @end example
1973
1974 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1975 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1976 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1977 constructor. The two methods
1978
1979 @example
1980 bool varidx::is_covariant();
1981 bool varidx::is_contravariant();
1982 @end example
1983
1984 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1985 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1986 method
1987
1988 @example
1989 ex varidx::toggle_variance();
1990 @end example
1991
1992 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1993 variance. By using it you only have to define the index once.
1994
1995 @cindex @code{spinidx} (class)
1996 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1997 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1998
1999 @example
2000     ...
2001     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2002     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2003                                             // contravariant, undotted
2004     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2005     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2006     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2007
2008     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2009      // -> K~C~D
2010     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2011      // -> K.C~*D
2012     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2013      // -> K.*D~D
2014     ...
2015 @end example
2016
2017 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2018 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2019 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2020 methods
2021
2022 @example
2023 bool spinidx::is_dotted();
2024 bool spinidx::is_undotted();
2025 @end example
2026
2027 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2028 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2029 Finally, the two methods
2030
2031 @example
2032 ex spinidx::toggle_dot();
2033 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2034 @end example
2035
2036 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2037 and the same or opposite variance.
2038
2039 @subsection Substituting indices
2040
2041 @cindex @code{subs()}
2042 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2043 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2044 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2045 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2046
2047 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2048 by another index or expression:
2049
2050 @example
2051     ...
2052     ex e = indexed(A, mu_co);
2053     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2054      // -> A.mu becomes A~nu
2055     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2056      // -> A.mu becomes A~0
2057     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2058      // -> A.mu becomes A.0
2059     ...
2060 @end example
2061
2062 The third example shows that trying to replace an index with something that
2063 is not an index will substitute the index value instead.
2064
2065 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2066 another expression:
2067
2068 @example
2069     ...
2070     ex e = indexed(A, mu_co);
2071     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2072      // -> A.mu becomes A.nu
2073     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2074      // -> A.mu becomes A.0
2075     ...
2076 @end example
2077
2078 As you see, with the second method only the value of the index will get
2079 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2080 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2081 whole index by another one with the new dimension.
2082
2083 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2084 expected:
2085
2086 @example
2087     ...
2088     ex e = indexed(A, mu_co);
2089     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2090      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2091     ...
2092 @end example
2093
2094 @subsection Symmetries
2095 @cindex @code{symmetry} (class)
2096 @cindex @code{sy_none()}
2097 @cindex @code{sy_symm()}
2098 @cindex @code{sy_anti()}
2099 @cindex @code{sy_cycl()}
2100
2101 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2102 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2103 that is constructed with the helper functions
2104
2105 @example
2106 symmetry sy_none(...);
2107 symmetry sy_symm(...);
2108 symmetry sy_anti(...);
2109 symmetry sy_cycl(...);
2110 @end example
2111
2112 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2113 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2114 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2115 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2116 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2117 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2118 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2119 all indices.
2120
2121 Here are some examples of symmetry definitions:
2122
2123 @example
2124     ...
2125     // No symmetry:
2126     e = indexed(A, i, j);
2127     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2128     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2129
2130     // Symmetric in all three indices:
2131     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2132     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2133     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2134                                                // different canonical order
2135
2136     // Symmetric in the first two indices only:
2137     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2138     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2139
2140     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2141     // be contiguous):
2142     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2143     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2144
2145     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2146     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2147     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2148     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2149
2150     // Cyclic symmetry in all three indices:
2151     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2152     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2153
2154     // The following examples are invalid constructions that will throw
2155     // an exception at run time.
2156
2157     // An index may not appear multiple times:
2158     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2159     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2160
2161     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2162     // same number of indices:
2163     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2164
2165     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2166     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2167     ...
2168 @end example
2169
2170 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2171 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2172 full symmetry in the first six indices you would write
2173 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2174
2175 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2176 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2177
2178 @example
2179     ...
2180     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2181           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2182      // -> 2*A.j.i
2183     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2184           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2185      // -> 0
2186     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2187           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2188      // -> 0
2189     ...
2190 @end example
2191
2192 @cindex @code{get_free_indices()}
2193 @cindex dummy index
2194 @subsection Dummy indices
2195
2196 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2197 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2198 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2199 dummy nor free indices.
2200
2201 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2202 class and their value must be the same single symbol (an index like
2203 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2204 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2205 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2206
2207 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2208 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2209 of a sum are consistent:
2210
2211 @example
2212 @{
2213     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2214
2215     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2216     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2217
2218     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2219     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2220      // -> (.i,.k)
2221      // 'j' and 'l' are dummy indices
2222
2223     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2224     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2225
2226     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2227       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2228     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2229      // -> (~mu,~rho)
2230      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2231
2232     e = indexed(A, mu, mu);
2233     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2234      // -> (~mu)
2235      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2236      // variance
2237
2238     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2239     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2240      // this will throw an exception:
2241      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2242 @}
2243 @end example
2244
2245 @cindex @code{simplify_indexed()}
2246 @subsection Simplifying indexed expressions
2247
2248 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2249 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2250 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2251 there is the method
2252
2253 @example
2254 ex ex::simplify_indexed();
2255 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2256 @end example
2257
2258 that performs some more expensive operations:
2259
2260 @itemize
2261 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2262   @code{get_free_indices()} does
2263 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2264   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2265 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2266   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2267   next section)
2268 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2269   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2270 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2271   of two tensors with a user-defined value
2272 @end itemize
2273
2274 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2275 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2276 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2277
2278 @example
2279 @{
2280     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2281     idx i(i_sym, 3);
2282
2283     scalar_products sp;
2284     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2285     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2286     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2287
2288     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2289     cout << e << endl;
2290      // -> (B+A).i*(A+C).i
2291
2292     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2293          << endl;
2294      // -> 4+C.i*B.i
2295 @}
2296 @end example
2297
2298 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2299 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2300 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2301 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2302 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2303 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2304 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2305 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2306
2307 @cindex @code{expand()}
2308 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2309 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2310 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2311
2312 @cindex @code{tensor} (class)
2313 @subsection Predefined tensors
2314
2315 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2316 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2317 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2318 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2319 indices are specified).
2320
2321 @cindex @code{delta_tensor()}
2322 @subsubsection Delta tensor
2323
2324 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2325 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2326 @code{delta_tensor()}:
2327
2328 @example
2329 @{
2330     symbol A("A"), B("B");
2331
2332     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2333         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2334
2335     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2336          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2337     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2338      // -> B.i.j*A.i.j
2339
2340     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2341      // -> 3
2342 @}
2343 @end example
2344
2345 @cindex @code{metric_tensor()}
2346 @subsubsection General metric tensor
2347
2348 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2349 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2350 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2351 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2352
2353 @example
2354 @{
2355     symbol A("A");
2356
2357     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2358
2359     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2360     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2361      // -> A~mu~rho
2362
2363     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2364     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2365      // -> g~mu~rho
2366
2367     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2368       * metric_tensor(nu, rho);
2369     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2370      // -> delta.mu~rho
2371
2372     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2373       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2374         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2375     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2376      // -> 4+A.rho~rho
2377 @}
2378 @end example
2379
2380 @cindex @code{lorentz_g()}
2381 @subsubsection Minkowski metric tensor
2382
2383 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2384 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2385 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2386 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2387 @samp{eta}):
2388
2389 @example
2390 @{
2391     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2392
2393     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2394       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2395     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2396      // -> 1
2397
2398     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2399       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2400     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2401      // -> -1
2402 @}
2403 @end example
2404
2405 @cindex @code{spinor_metric()}
2406 @subsubsection Spinor metric tensor
2407
2408 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2409 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2410 It is output as @samp{eps}:
2411
2412 @example
2413 @{
2414     symbol psi("psi");
2415
2416     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2417     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2418
2419     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2420     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2421      // -> psi~A
2422
2423     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2424     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2425      // -> -psi~B
2426
2427     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2428     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2429      // -> -psi.A
2430
2431     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2432     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2433      // -> psi.B
2434
2435     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2436     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2437      // -> 2
2438
2439     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2440     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2441      // -> -delta.A~C
2442 @}
2443 @end example
2444
2445 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2446
2447 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2448 @cindex @code{lorentz_eps()}
2449 @subsubsection Epsilon tensor
2450
2451 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2452 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2453 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2454 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2455 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2456 @samp{eps}.
2457
2458 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2459 dimensions:
2460
2461 @example
2462 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2463 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2464 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2465 @end example
2466
2467 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2468 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2469 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2470 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2471 tensor):
2472
2473 @example
2474 @{
2475     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2476            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2477     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2478         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2479     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2480      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2481
2482     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2483     symbol A("A"), B("B");
2484     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2485     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2486      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2487     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2488     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2489      // -> 0
2490 @}
2491 @end example
2492
2493 @subsection Linear algebra
2494
2495 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2496 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2497 and scalar products):
2498
2499 @example
2500 @{
2501     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2502     symbol x("x"), y("y");
2503
2504     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2505     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2506     A = 1, 2,
2507         3, 4;
2508     X = x, y;
2509
2510     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2511      // -> 5
2512
2513     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2514     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2515      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2516
2517     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2518     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2519      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2520 @}
2521 @end example
2522
2523 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2524 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2525 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2526
2527 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2528 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2529 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2530 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2531
2532 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2533 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2534 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2535 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2536 of the metric tensor.
2537
2538
2539 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2540 @c    node-name, next, previous, up
2541 @section Non-commutative objects
2542
2543 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2544 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2545 physics:
2546
2547 @itemize
2548 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2549 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2550 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2551 @end itemize
2552
2553 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2554 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2555 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2556 @ref{Matrices}.
2557
2558 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2559 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2560 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2561 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2562 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2563 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2564 by their class. Consider this example:
2565
2566 @example
2567     ...
2568     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2569     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2570     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2571     cout << e << endl;
2572      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2573     ...
2574 @end example
2575
2576 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2577 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2578 together while preserving the order of factors within each class (because
2579 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2580 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2581 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2582 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2583
2584 @cindex @code{ncmul} (class)
2585 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2586 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2587 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2588 though.
2589
2590 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2591 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2592 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2593 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2594 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2595 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2596 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2597 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2598 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2599 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2600
2601 @cindex @code{return_type()}
2602 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2603 Information about the commutativity of an object or expression can be
2604 obtained with the two member functions
2605
2606 @example
2607 unsigned ex::return_type() const;
2608 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2609 @end example
2610
2611 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2612 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2613 expressions in GiNaC:
2614
2615 @itemize
2616 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2617   classes are of this kind.
2618 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2619   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2620   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2621   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2622   class.
2623 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2624   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2625   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2626   @code{noncommutative_composite} expressions.
2627 @end itemize
2628
2629 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2630 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2631 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2632 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2633
2634 Here are a couple of examples:
2635
2636 @cartouche
2637 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2638 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2639 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2640 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2641 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2642 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2643 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2644 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2645 @end multitable
2646 @end cartouche
2647
2648 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2649 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2650 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2651 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2652 for color objects.
2653
2654 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2655 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2656 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2657 non-commutative expressions).
2658
2659
2660 @cindex @code{clifford} (class)
2661 @subsection Clifford algebra
2662
2663 @cindex @code{dirac_gamma()}
2664 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2665 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2666 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2667 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2668
2669 @example
2670 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2671 @end example
2672
2673 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2674 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2675 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2676 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2677 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2678 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2679
2680 @cindex @code{dirac_ONE()}
2681 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2682
2683 @example
2684 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2685 @end example
2686
2687 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2688 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2689 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2690 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2691 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2692
2693 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2694 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2695 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2696 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2697
2698 @example
2699 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2700 @end example
2701
2702 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2703 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2704 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2705 objects, constructed by
2706
2707 @example
2708 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2709 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2710 @end example
2711
2712 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2713 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2714
2715 @cindex @code{dirac_slash()}
2716 Finally, the function
2717
2718 @example
2719 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2720 @end example
2721
2722 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2723 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2724 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2725 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2726
2727 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2728 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2729 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2730
2731 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2732 for example
2733
2734 @example
2735 @{
2736     ...
2737     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2738     varidx mu(symbol("mu"), D);
2739     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2740          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2741     cout << e << endl;
2742      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2743     e = e.simplify_indexed();
2744     cout << e << endl;
2745      // -> -D*a\+2*a\
2746     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2747      // -> -2*a\
2748     ...
2749 @}
2750 @end example
2751
2752 @cindex @code{dirac_trace()}
2753 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2754 you use the function
2755
2756 @example
2757 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2758 @end example
2759
2760 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2761 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2762 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2763 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2764 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2765 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2766 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2767 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2768 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2769
2770 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2771 @math{D != 4} dimensions:
2772
2773 @example
2774 @{
2775     // 4 dimensions
2776     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2777     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2778            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2779     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2780      // -> -8*eta~rho~nu
2781 @}
2782 ...
2783 @{
2784     // D dimensions
2785     symbol D("D");
2786     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2787     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2788            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2789     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2790      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2791 @}
2792 @end example
2793
2794 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2795 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2796 QED:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2801     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2802
2803     scalar_products sp;
2804     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2805     sp.add(l, q, ldotq);
2806
2807     ex e = dirac_gamma(mu) *
2808            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2809            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2810            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2811     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2812     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2813     cout << e << endl;
2814      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2815 @}
2816 @end example
2817
2818 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2819 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2820 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2821
2822 @example
2823 @{
2824     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2825     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2826     cout << e << endl;
2827      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2828
2829     e = canonicalize_clifford(e);
2830     cout << e << endl;
2831      // -> 2*eta~mu~nu
2832 @}
2833 @end example
2834
2835
2836 @cindex @code{color} (class)
2837 @subsection Color algebra
2838
2839 @cindex @code{color_T()}
2840 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2841 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2842 elements @math{T_a} are constructed by the function
2843
2844 @example
2845 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2846 @end example
2847
2848 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2849 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2850 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2851 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2852 not @code{varidx}.
2853
2854 @cindex @code{color_ONE()}
2855 The unity element of a color algebra is constructed by
2856
2857 @example
2858 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2859 @end example
2860
2861 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2862 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2863 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2864 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2865 GiNaC may produce incorrect results.
2866
2867 @cindex @code{color_d()}
2868 @cindex @code{color_f()}
2869 The functions
2870
2871 @example
2872 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2873 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2874 @end example
2875
2876 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2877 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2878 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2879
2880 @cindex @code{color_h()}
2881 There's an additional function
2882
2883 @example
2884 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2885 @end example
2886
2887 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2888
2889 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2890 expressions containing color objects:
2891
2892 @example
2893 @{
2894     ...
2895     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2896         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2897
2898     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2899     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2900      // -> 0
2901
2902     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2903     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2904      // -> 5/3*delta.k.l
2905
2906     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2907     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2908      // -> 3*delta.k.l
2909
2910     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2911     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2912      // -> -32/3
2913
2914     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2915     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2916      // -> -2/3*T.a
2917
2918     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2919     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2920      // -> -8/9*ONE
2921
2922     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2923     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2924      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2925     ...
2926 @end example
2927
2928 @cindex @code{color_trace()}
2929 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2930 function
2931
2932 @example
2933 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2934 @end example
2935
2936 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2937 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2938 standing. For example:
2939
2940 @example
2941     ...
2942     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2943     cout << e << endl;
2944      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2945 @}
2946 @end example
2947
2948
2949 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2950 @c    node-name, next, previous, up
2951 @chapter Methods and Functions
2952 @cindex polynomial
2953
2954 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2955 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2956 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2957 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2958 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2959 example:
2960
2961 @example
2962     ...
2963     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2964     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2965     ...
2966 @end example
2967
2968 @cindex @code{subs()}
2969 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2970 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2971 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2972 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2973 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2974 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2975 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2976 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2977 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2978 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2979 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2980 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2981 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2982 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2983 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2984 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2985 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2986 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2987 avoided.
2988
2989 @menu
2990 * Information About Expressions::
2991 * Numerical Evaluation::
2992 * Substituting Expressions::
2993 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2994 * Applying a Function on Subexpressions::
2995 * Visitors and Tree Traversal::
2996 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2997 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2998 * Symbolic Differentiation::
2999 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3000 * Symmetrization::
3001 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3002 * Solving Linear Systems of Equations::
3003 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3004 @end menu
3005
3006
3007 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3008 @c    node-name, next, previous, up
3009 @section Getting information about expressions
3010
3011 @subsection Checking expression types
3012 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3013 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3014 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3015 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3016 @cindex @code{info()}
3017 @cindex @code{return_type()}
3018 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3019
3020 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3021 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3022 GiNaC provides a couple of functions for this:
3023
3024 @example
3025 bool is_a<T>(const ex & e);
3026 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3027 bool ex::info(unsigned flag);
3028 unsigned ex::return_type() const;
3029 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3030 @end example
3031
3032 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3033 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3034 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3035 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3036
3037 @example
3038 @{
3039     @dots{}
3040     if (is_a<numeric>(e))
3041         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3042     @dots{}
3043 @}
3044 @end example
3045
3046 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3047 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3048 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3049 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3050
3051 @example
3052 @{
3053     symbol x("x");
3054     ex e1 = 42;
3055     ex e2 = 4*x - 3;
3056     is_a<numeric>(e1);  // true
3057     is_a<numeric>(e2);  // false
3058     is_a<add>(e1);      // false
3059     is_a<add>(e2);      // true
3060     is_a<mul>(e1);      // false
3061     is_a<mul>(e2);      // false
3062 @}
3063 @end example
3064
3065 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3066 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3067 class @samp{T}, not including parent classes.
3068
3069 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3070 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3071 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3072 table:
3073
3074 @cartouche
3075 @multitable @columnfractions .30 .70
3076 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3077 @item @code{numeric}
3078 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
3079 @item @code{real}
3080 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3081 @item @code{rational}
3082 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3083 @item @code{integer}
3084 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3085 @item @code{crational}
3086 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3087 @item @code{cinteger}
3088 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3089 @item @code{positive}
3090 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3091 @item @code{negative}
3092 @tab @dots{}not complex and less than 0
3093 @item @code{nonnegative}
3094 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3095 @item @code{posint}
3096 @tab @dots{}an integer greater than 0
3097 @item @code{negint}
3098 @tab @dots{}an integer less than 0
3099 @item @code{nonnegint}
3100 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3101 @item @code{even}
3102 @tab @dots{}an even integer
3103 @item @code{odd}
3104 @tab @dots{}an odd integer
3105 @item @code{prime}
3106 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3107 @item @code{relation}
3108 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3109 @item @code{relation_equal}
3110 @tab @dots{}a @code{==} relation
3111 @item @code{relation_not_equal}
3112 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3113 @item @code{relation_less}
3114 @tab @dots{}a @code{<} relation
3115 @item @code{relation_less_or_equal}
3116 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3117 @item @code{relation_greater}
3118 @tab @dots{}a @code{>} relation
3119 @item @code{relation_greater_or_equal}
3120 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3121 @item @code{symbol}
3122 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3123 @item @code{list}
3124 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3125 @item @code{polynomial}
3126 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3127 @item @code{integer_polynomial}
3128 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3129 @item @code{cinteger_polynomial}
3130 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3131 @item @code{rational_polynomial}
3132 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3133 @item @code{crational_polynomial}
3134 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3135 @item @code{rational_function}
3136 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3137 @item @code{algebraic}
3138 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3139 @end multitable
3140 @end cartouche
3141
3142 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3143 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3144 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3145 for an explanation of these.
3146
3147
3148 @subsection Accessing subexpressions
3149 @cindex @code{nops()}
3150 @cindex @code{op()}
3151 @cindex container
3152 @cindex @code{relational} (class)
3153
3154 GiNaC provides the two methods
3155
3156 @example
3157 size_t ex::nops();
3158 ex ex::op(size_t i);
3159 @end example
3160
3161 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
3162 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
3163 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
3164 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
3165 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
3166 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
3167 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
3168
3169 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
3170 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
3171
3172 @example
3173 ex ex::lhs();
3174 ex ex::rhs();
3175 @end example
3176
3177
3178 @subsection Comparing expressions
3179 @cindex @code{is_equal()}
3180 @cindex @code{is_zero()}
3181
3182 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3183 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3184 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3185 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3186 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3187 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3188 @code{false}.
3189
3190 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3191 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3192 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3193
3194 There are also two methods
3195
3196 @example
3197 bool ex::is_equal(const ex & other);
3198 bool ex::is_zero();
3199 @end example
3200
3201 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3202 respectively.
3203
3204
3205 @subsection Ordering expressions
3206 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3207 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3208 @cindex @code{compare()}
3209
3210 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3211 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3212 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3213 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3214
3215 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3216 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3217 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3218 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3219 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3220 yield @code{true}.
3221
3222 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3223 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3224 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3225 predicates to the STL:
3226
3227 @example
3228 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3229 public:
3230     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3231 @};
3232
3233 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3234 public:
3235     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3236 @};
3237 @end example
3238
3239 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3240 have to use
3241
3242 @example
3243 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3244 @end example
3245
3246 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3247 bugs because the map operates improperly.
3248
3249 Other examples for the use of the functors:
3250
3251 @example
3252 std::vector<ex> v;
3253 // fill vector
3254 ...
3255
3256 // sort vector
3257 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3258
3259 // count the number of expressions equal to '1'
3260 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3261                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3262 @end example
3263
3264 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3265
3266 @example
3267 int ex::compare(const ex & other) const;
3268 @end example
3269
3270 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3271 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3272 after @code{other}.
3273
3274
3275 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3276 @c    node-name, next, previous, up
3277 @section Numerical Evaluation
3278 @cindex @code{evalf()}
3279
3280 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3281 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3282
3283 @example
3284 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3285 @end example
3286
3287 @cindex @code{Digits}
3288 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3289 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3290 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3291
3292 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3293 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3294
3295 @example
3296 @{
3297     // Approximate sin(x/Pi)
3298     symbol x("x");
3299     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3300
3301     // Evaluate numerically at x=0.1
3302     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3303
3304     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3305     if (is_a<numeric>(f)) @{
3306         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3307         cout << d << endl;
3308          // -> 0.0318256
3309     @} else
3310         // error
3311 @}
3312 @end example
3313
3314
3315 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3316 @c    node-name, next, previous, up
3317 @section Substituting expressions
3318 @cindex @code{subs()}
3319
3320 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3321 expressions via the @code{.subs()} method:
3322
3323 @example
3324 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3325 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3326 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3327 @end example
3328
3329 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3330 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3331
3332 @example
3333 @{
3334     symbol x("x"), y("y");
3335
3336     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3337     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3338      // -> 73
3339
3340     ex e2 = x*y + x;
3341     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3342      // -> -10
3343 @}
3344 @end example
3345
3346 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3347 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3348
3349 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3350 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3351 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3352 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3353 be substituted is large or unknown.
3354
3355 Using this form, the second example from above would look like this:
3356
3357 @example
3358 @{
3359     symbol x("x"), y("y");
3360     ex e2 = x*y + x;
3361
3362     exmap m;
3363     m[x] = -2;
3364     m[y] = 4;
3365     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3366 @}
3367 @end example
3368
3369 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3370 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3371 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3372
3373 @example
3374 @{
3375     symbol x("x"), y("y");
3376     ex e2 = x*y + x;
3377
3378     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3379 @}
3380 @end example
3381
3382 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3383 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3384 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3385 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3386 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3387 algebraic substitutions in products and powers.
3388 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3389 about patterns and algebraic substitutions.
3390
3391 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3392 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3393 following example:
3394
3395 @example
3396 @{
3397     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3398
3399     ex e1 = pow(x+y, 2);
3400     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3401      // -> 16
3402
3403     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3404     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3405      // -> cos(x)^2*sin(y)
3406
3407     ex e3 = x+y+z;
3408     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3409      // -> x+y+z
3410      // (and not 4+z as one might expect)
3411 @}
3412 @end example
3413
3414 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3415 next section.
3416
3417
3418 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3419 @c    node-name, next, previous, up
3420 @section Pattern matching and advanced substitutions
3421 @cindex @code{wildcard} (class)
3422 @cindex Pattern matching
3423
3424 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3425 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3426 substituting expressions in a more general way.
3427
3428 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3429 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3430 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3431 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3432 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3433 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3434 with the call
3435
3436 @example
3437 ex wild(unsigned label = 0);
3438 @end example
3439
3440 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3441 name.
3442
3443 Some examples for patterns:
3444
3445 @multitable @columnfractions .5 .5
3446 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3447 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3448 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3449 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3450 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3451 @end multitable
3452
3453 Notes:
3454
3455 @itemize
3456 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3457   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3458 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3459   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3460   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3461 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3462   possible to use them as placeholders for other properties like index
3463   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3464   etc.
3465 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3466   as part of noncommutative products.
3467 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3468   are also valid patterns.
3469 @end itemize
3470
3471 @subsection Matching expressions
3472 @cindex @code{match()}
3473 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3474 matches a given pattern. This is done by the function
3475
3476 @example
3477 bool ex::match(const ex & pattern);
3478 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3479 @end example
3480
3481 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3482 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3483 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3484 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3485 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3486 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3487 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3488 expressions by passing in the result of a previous match.
3489
3490 The matching algorithm works as follows:
3491
3492 @itemize
3493 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3494   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3495   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3496   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3497 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3498   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3499   etc.).
3500 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3501   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3502 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3503   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3504   of the pattern.
3505 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3506   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3507 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3508   match the corresponding subexpression of the pattern.
3509 @end itemize
3510
3511 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3512 account for their commutativity and associativity:
3513
3514 @itemize
3515 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3516   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3517   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3518   way.
3519 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3520   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3521   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3522   further matches.
3523 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3524   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3525   which case this wildcard matches the remaining terms.
3526 @end itemize
3527
3528 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3529 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3530 ambiguous results.
3531
3532 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3533 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3534 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3535
3536 @example
3537 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3538 @{@}
3539 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3540 FAIL
3541 > match((x+y)^a,$1^$2);
3542 @{$1==x+y,$2==a@}
3543 > match((x+y)^a,$1^$1);
3544 FAIL
3545 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3546 @{$1==x+y@}
3547 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3548 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3549 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3550 @{$1==a@}
3551 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3552 @{$1==c,$2==b@}
3553   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3554 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3555   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3556    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3557    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3558    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3559    fail.)
3560 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3561   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3562    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3563 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3564 FAIL
3565 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3566 @{$0==a+e+b+f+d@}
3567 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3568 @{$0==a+b+f+d@}
3569 > match(a+b,a+b+$0);
3570 @{$0==0@}
3571 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3572 FAIL
3573   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3574    even though a==a^1.)
3575 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3576 @{$0==x@}
3577 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3578 @{$0==x^2@}
3579 @end example
3580
3581 @subsection Matching parts of expressions
3582 @cindex @code{has()}
3583 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3584 member function
3585
3586 @example
3587 bool ex::has(const ex & pattern);
3588 @end example
3589
3590 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3591 by any of its subexpressions.
3592
3593 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3594 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3595
3596 @example
3597 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3598 1
3599 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3600 0
3601   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3602    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3603 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3604 1
3605   (But this is possible.)
3606 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3607 0
3608   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3609    which "x+y" is not a subexpression.)
3610 > has(x+1,x^$1);
3611 0
3612   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3613    "x^something".)
3614 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3615 1
3616 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3617 0
3618   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3619    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3620    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3621 @end example
3622
3623 @cindex @code{find()}
3624 The method
3625
3626 @example
3627 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3628 @end example
3629
3630 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3631 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3632 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3633 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3634 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3635
3636 @example
3637 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3638 @{x@}
3639 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3640 @{@}
3641 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3642 @{x^3,x^2@}
3643   (Note the absence of "x".)
3644 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3645 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3646 > find(%,sin($1));
3647 @{sin(y),sin(x)@}
3648 @end example
3649
3650 @subsection Substituting expressions
3651 @cindex @code{subs()}
3652 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3653 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3654 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3655 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3656 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3657
3658 Some examples:
3659
3660 @example
3661 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3662 b^3+a^3+(x+y)^3
3663 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3664 b^4+a^4+(x+y)^4
3665 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3666 (a+b+c)^2
3667 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3668 (x+c)^2
3669 > subs(a+2*b,a+b==x);
3670 a+2*b
3671 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3672 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3673 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3674 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3675 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3676 cos(1+cos(x))
3677 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3678 a+b
3679 @end example
3680
3681 The last example would be written in C++ in this way:
3682
3683 @example
3684 @{
3685     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3686     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3687     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3688     cout << e.expand() << endl;
3689      // -> a+b
3690 @}
3691 @end example
3692
3693 @subsection Algebraic substitutions
3694 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
3695 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
3696 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
3697 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
3698 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
3699 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
3700 powers.
3701
3702 An example clarifies it all (hopefully):
3703
3704 @example
3705 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
3706                                         subs_options::algebraic) << endl;
3707 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
3708
3709 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
3710 // --> (c+b+a)^2
3711 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
3712
3713 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
3714                                                                       << endl;
3715 // --> (x+c)^2
3716 // As I said: addition is just the same.
3717
3718 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
3719 // --> x^3*b*a^2+2*b
3720
3721 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
3722                                                                        << endl;
3723 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
3724
3725 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
3726 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
3727
3728 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
3729                                 subs_options::algebraic) << endl;
3730 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
3731 // You should not really need this kind of patterns very often now.
3732 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
3733
3734 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
3735                                 subs_options::algebraic) << endl;
3736 // --> cos(1+cos(x))
3737
3738 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
3739         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
3740                                 subs_options::algebraic)) << endl;
3741 // --> b+a
3742 @end example
3743
3744
3745 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3746 @c    node-name, next, previous, up
3747 @section Applying a Function on Subexpressions
3748 @cindex tree traversal
3749 @cindex @code{map()}
3750
3751 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3752 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3753 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3754 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3755 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3756 to do this manually which usually results in code like this:
3757
3758 @example
3759 ex calc_trace(ex e)
3760 @{
3761     if (is_a<matrix>(e))
3762         return ex_to<matrix>(e).trace();
3763     else if (is_a<add>(e)) @{
3764         ex sum = 0;
3765         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
3766             sum += calc_trace(e.op(i));
3767         return sum;
3768     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3769         ...
3770     @} else @{
3771         ...
3772     @}
3773 @}
3774 @end example
3775
3776 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3777 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3778 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3779 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3780 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3781
3782 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3783 operations:
3784
3785 @example
3786 ex ex::map(map_function & f) const;
3787 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3788 @end example
3789
3790 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3791 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3792 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3793 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3794 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3795 non-recursively.
3796
3797 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3798 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3799 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3800 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3801 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3802
3803 @example
3804 struct calc_trace : public map_function @{
3805     ex operator()(const ex &e)
3806     @{
3807         if (is_a<matrix>(e))
3808             return ex_to<matrix>(e).trace();
3809         else if (is_a<mul>(e)) @{
3810             ...
3811         @} else
3812             return e.map(*this);
3813     @}
3814 @};
3815 @end example
3816
3817 This function object could then be used like this:
3818
3819 @example
3820 @{
3821     ex M = ... // expression with matrices
3822     calc_trace do_trace;
3823     ex tr = do_trace(M);
3824 @}
3825 @end example
3826
3827 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3828 terms in a variable from an expanded polynomial:
3829
3830 @example
3831 struct map_rem_quad : public map_function @{
3832     ex var;
3833     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3834
3835     ex operator()(const ex & e)
3836     @{
3837         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3838             return e.map(*this);
3839         else if (is_a<power>(e) && 
3840                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3841             return 0;
3842         else
3843             return e;
3844     @}
3845 @};
3846
3847 ...
3848
3849 @{
3850     symbol x("x"), y("y");
3851
3852     ex e;
3853     for (int i=0; i<8; i++)
3854         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3855     cout << e << endl;
3856      // -> 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
3857
3858     map_rem_quad rem_quad(x);
3859     cout << rem_quad(e) << endl;
3860      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3861 @}
3862 @end example
3863
3864 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3865 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3866 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3867 acts as the placeholder for the operands:
3868
3869 @example
3870 > map(a*b,sin($0));
3871 sin(a)*sin(b)
3872 > map(a+2*b,sin($0));
3873 sin(a)+sin(2*b)
3874 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3875 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3876 @end example
3877
3878 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3879 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3880 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3881
3882 @example
3883 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3884 @{0,0,0@}
3885   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3886   to "map(@{a,b,c@},0)".
3887 @end example
3888
3889
3890 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3891 @c    node-name, next, previous, up
3892 @section Visitors and Tree Traversal
3893 @cindex tree traversal
3894 @cindex @code{visitor} (class)
3895 @cindex @code{accept()}
3896 @cindex @code{visit()}
3897 @cindex @code{traverse()}
3898 @cindex @code{traverse_preorder()}
3899 @cindex @code{traverse_postorder()}
3900
3901 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
3902 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
3903 indices with variance you always want the covariant version returned.
3904
3905 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
3906 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
3907 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
3908 with variance, one for plain ones).
3909
3910 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
3911 such as the following:
3912
3913 @example
3914 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
3915 @{
3916     if (is_a<varidx>(e)) @{
3917         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
3918         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3919     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
3920         l.append(e);
3921     @} else @{
3922         size_t n = e.nops();
3923         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
3924             gather_indices_helper(e.op(i), l);
3925     @}
3926 @}
3927
3928 lst gather_indices(const ex & e)
3929 @{
3930     lst l;
3931     gather_indices_helper(e, l);
3932     l.sort();
3933     l.unique();
3934     return l;
3935 @}
3936 @end example
3937
3938 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
3939 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
3940 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
3941
3942 @example
3943     if (is_a<idx>(e)) @{
3944       ...
3945     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
3946       ...
3947 @end example
3948
3949 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
3950 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
3951 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
3952 executed.
3953
3954 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
3955 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
3956 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
3957 write a function that required a different implementation for nearly
3958 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
3959
3960 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
3961 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
3962 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
3963 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
3964 impossible to add virtual member functions to existing classes without
3965 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
3966 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
3967 presented this would be impractical.
3968
3969 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
3970 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
3971 variation, described in detail in
3972 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
3973 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
3974 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
3975 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
3976 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
3977 object that @code{accept()} was being invoked on.
3978
3979 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
3980 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
3981 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
3982 each class.
3983
3984 A call of
3985
3986 @example
3987 void ex::accept(visitor & v) const;
3988 @end example
3989
3990 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
3991 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
3992 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
3993
3994 Here is an example of a visitor:
3995
3996 @example
3997 class my_visitor
3998  : public visitor,          // this is required
3999    public add::visitor,     // visit add objects
4000    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4001    public basic::visitor    // visit basic objects
4002 @{
4003     void visit(const add & x)
4004     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4005
4006     void visit(const numeric & x)
4007     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4008
4009     void visit(const basic & x)
4010     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4011 @};
4012 @end example
4013
4014 which can be used as follows:
4015
4016 @example
4017 ...
4018     symbol x("x");
4019     ex e1 = 42;
4020     ex e2 = 4*x-3;
4021     ex e3 = 8*x;
4022
4023     my_visitor v;
4024     e1.accept(v);
4025      // prints "called with a numeric object"
4026     e2.accept(v);
4027      // prints "called with an add object"
4028     e3.accept(v);
4029      // prints "called with a basic object"
4030 ...
4031 @end example
4032
4033 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4034 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4035
4036 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4037 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4038 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4039 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4040 hierarchies of visitors.
4041
4042 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4043
4044 @example
4045 class gather_indices_visitor
4046  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4047 @{
4048     lst l;
4049
4050     void visit(const idx & i)
4051     @{
4052         l.append(i);
4053     @}
4054
4055     void visit(const varidx & vi)
4056     @{
4057         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4058     @}
4059
4060 public:
4061     const lst & get_result() // utility function
4062     @{
4063         l.sort();
4064         l.unique();
4065         return l;
4066     @}
4067 @};
4068 @end example
4069
4070 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4071 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4072
4073 @example
4074 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4075 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4076 void ex::traverse(visitor & v) const;
4077 @end example
4078
4079 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4080 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4081 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4082 @code{traverse_preorder()}.
4083
4084 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4085 and @code{traverse()}:
4086
4087 @example
4088 lst gather_indices(const ex & e)
4089 @{
4090     gather_indices_visitor v;
4091     e.traverse(v);
4092     return v.get_result();
4093 @}
4094 @end example
4095
4096
4097 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4098 @c    node-name, next, previous, up
4099 @section Polynomial arithmetic
4100
4101 @subsection Expanding and collecting
4102 @cindex @code{expand()}
4103 @cindex @code{collect()}
4104 @cindex @code{collect_common_factors()}
4105
4106 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4107 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4108 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4109 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4110 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4111 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4112 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4113 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4114 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4115 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4116 x*z}.
4117
4118 To bring an expression into expanded form, its method
4119
4120 @example
4121 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4122 @end example
4123
4124 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4125 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4126 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4127 orderings of terms in such sums!
4128
4129 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4130 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4131 being polynomials in the remaining variables.  The method
4132 @code{collect()} accomplishes this task:
4133
4134 @example
4135 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4136 @end example
4137
4138 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4139 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4140 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4141 by the @code{distributed} flag.
4142
4143 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4144 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4145 coefficients properly.
4146
4147 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4148 together with @code{find()}:
4149
4150 @example
4151 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4152 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4153 > collect(a,@{p,q@});
4154 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4155 > collect(a,find(a,sin($1)));
4156 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4157 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4158 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4159 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4160 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4161 @end example
4162
4163 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4164 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4165
4166 @example
4167 ex collect_common_factors(const ex & e);
4168 @end example
4169
4170 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4171 factors which are already explicitly present:
4172
4173 @example
4174 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4175 (x+y)*a
4176 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4177 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4178 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4179 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4180 @end example
4181
4182 @subsection Degree and coefficients
4183 @cindex @code{degree()}
4184 @cindex @code{ldegree()}
4185 @cindex @code{coeff()}
4186
4187 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4188 methods
4189
4190 @example
4191 int ex::degree(const ex & s);
4192 int ex::ldegree(const ex & s);
4193 @end example
4194
4195 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4196 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4197 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4198 an expanded polynomial you use
4199
4200 @example
4201 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4202 @end example
4203
4204 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4205
4206 @example
4207 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4208 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4209 @end example
4210
4211 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4212 respectively.
4213
4214 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4215 polynomial is analyzed:
4216
4217 @example
4218 @{
4219     symbol x("x"), y("y");
4220     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4221                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4222     ex Poly = PolyInp.expand();
4223     
4224     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4225         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4226              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4227     @}
4228     cout << "As polynomial in y: " 
4229          << Poly.collect(y) << endl;
4230 @}
4231 @end example
4232
4233 When run, it returns an output in the following fashion:
4234
4235 @example
4236 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4237 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4238 The x^2-coefficient is -1
4239 The x^3-coefficient is 4*y
4240 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4241 @end example
4242
4243 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4244 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4245 within the user's sphere of influence.
4246
4247 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4248 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4249 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4250 constants, functions and indexed objects as well:
4251
4252 @example
4253 @{
4254     symbol a("a"), b("b"), c("c");
4255     idx i(symbol("i"), 3);
4256
4257     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4258     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4259      // -> 4
4260     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4261      // -> -4*cos(x)
4262
4263     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4264     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4265     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4266      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4267 @}
4268 @end example
4269
4270
4271 @subsection Polynomial division
4272 @cindex polynomial division
4273 @cindex quotient
4274 @cindex remainder
4275 @cindex pseudo-remainder
4276 @cindex @code{quo()}
4277 @cindex @code{rem()}
4278 @cindex @code{prem()}
4279 @cindex @code{divide()}
4280
4281 The two functions
4282
4283 @example
4284 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4285 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4286 @end example
4287
4288 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4289 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4290
4291 The additional function
4292
4293 @example
4294 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4295 @end example
4296
4297 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4298 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4299
4300 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4301
4302 @example
4303 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4304 @end example
4305
4306 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4307 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4308 in which case the value of @code{q} is undefined.
4309
4310
4311 @subsection Unit, content and primitive part
4312 @cindex @code{unit()}
4313 @cindex @code{content()}
4314 @cindex @code{primpart()}
4315
4316 The methods
4317
4318 @example
4319 ex ex::unit(const ex & x);
4320 ex ex::content(const ex & x);
4321 ex ex::primpart(const ex & x);
4322 @end example
4323
4324 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4325 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4326 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4327 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4328 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4329 original polynomial.
4330
4331
4332 @subsection GCD and LCM
4333 @cindex GCD
4334 @cindex LCM
4335 @cindex @code{gcd()}
4336 @cindex @code{lcm()}
4337
4338 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4339 multiple have the synopsis
4340
4341 @example
4342 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4343 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4344 @end example
4345
4346 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4347 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4348 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4349 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4350 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4351
4352 @example
4353 #include <ginac/ginac.h>
4354 using namespace GiNaC;
4355
4356 int main()
4357 @{
4358     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4359     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4360     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4361
4362     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4363     // x + 5*y + 4*z
4364     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4365     // 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
4366 @}
4367 @end example
4368
4369
4370 @subsection Square-free decomposition
4371 @cindex square-free decomposition
4372 @cindex factorization
4373 @cindex @code{sqrfree()}
4374
4375 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4376 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4377 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4378 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4379 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4380 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4381 one, too:
4382 @example
4383 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4384 @end example
4385 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4386 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4387 some care with subsequent processing of the result:
4388 @example
4389     ...
4390     symbol x("x"), y("y");
4391     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4392
4393     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4394      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4395
4396     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4397      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4398
4399     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4400      // -> depending on luck, any of the above
4401     ...
4402 @end example
4403 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4404 with this method.
4405
4406
4407 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4408 @c    node-name, next, previous, up
4409 @section Rational expressions
4410
4411 @subsection The @code{normal} method
4412 @cindex @code{normal()}
4413 @cindex simplification
4414 @cindex temporary replacement
4415
4416 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4417 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4418 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4419 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4420 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4421 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4422
4423 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4424 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4425 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4426 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4427 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4428 @code{.to_rational()}, described below.
4429
4430 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4431 simplified in this little code snippet:
4432
4433 @example
4434 @{
4435     symbol x("x");
4436     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4437     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4438     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4439     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4440 @}
4441 @end example
4442
4443 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4444 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4445 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4446
4447
4448 @subsection Numerator and denominator
4449 @cindex numerator
4450 @cindex denominator
4451 @cindex @code{numer()}
4452 @cindex @code{denom()}
4453 @cindex @code{numer_denom()}
4454
4455 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4456
4457 @example
4458 ex ex::numer();
4459 ex ex::denom();
4460 ex ex::numer_denom();
4461 @end example
4462
4463 These functions will first normalize the expression as described above and
4464 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4465 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4466 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4467
4468
4469 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4470 @cindex @code{to_polynomial()}
4471 @cindex @code{to_rational()}
4472
4473 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4474 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4475 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4476 above. You do this by calling
4477
4478 @example
4479 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4480 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4481 @end example
4482 or
4483 @example
4484 ex ex::to_rational(exmap & m);
4485 ex ex::to_rational(lst & l);
4486 @end example
4487
4488 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4489 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4490 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4491 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4492 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4493 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4494
4495 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4496 is probably best illustrated with an example:
4497
4498 @example
4499 @{
4500     symbol x("x"), y("y");
4501     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4502     cout << a << endl;
4503
4504     lst lp;
4505     ex p = a.to_polynomial(lp);
4506     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4507      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4508      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4509
4510     lst lr;
4511     ex r = a.to_rational(lr);
4512     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4513      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4514      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4515 @}
4516 @end example
4517
4518 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4519
4520 @example
4521 @{
4522     symbol x("x");
4523     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4524     ex b = sin(x) + cos(x);
4525     ex q;
4526     exmap m;
4527     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4528     cout << q.subs(m) << endl;
4529 @}
4530 @end example
4531
4532
4533 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4534 @c    node-name, next, previous, up
4535 @section Symbolic differentiation
4536 @cindex differentiation
4537 @cindex @code{diff()}
4538 @cindex chain rule
4539 @cindex product rule
4540
4541 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4542 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4543 the derivatives of all the monomials:
4544
4545 @example
4546 @{
4547     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4548     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4549
4550     cout << P.diff(x,2) << endl;
4551      // -> 20*x^3 + 2
4552     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4553      // -> 1
4554     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4555      // -> 0
4556 @}
4557 @end example
4558
4559 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4560 returns the @var{n}th derivative.
4561
4562 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4563 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4564 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4565 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4566 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4567 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4568 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4569 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4570 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4571 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4572 lines:
4573
4574 @cindex Euler numbers
4575 @example
4576 #include <ginac/ginac.h>
4577 using namespace GiNaC;
4578
4579 ex EulerNumber(unsigned n)
4580 @{
4581     symbol x;
4582     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4583     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4584 @}
4585
4586 int main()
4587 @{
4588     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4589         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4590     return 0;
4591 @}
4592 @end example
4593
4594 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4595 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4596 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4597
4598
4599 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4600 @c    node-name, next, previous, up
4601 @section Series expansion
4602 @cindex @code{series()}
4603 @cindex Taylor expansion
4604 @cindex Laurent expansion
4605 @cindex @code{pseries} (class)
4606 @cindex @code{Order()}
4607
4608 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
4609 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
4610 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
4611 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
4612 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
4613 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
4614 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
4615 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
4616 term).  A sample application from special relativity could read:
4617
4618 @example
4619 #include <ginac/ginac.h>
4620 using namespace std;
4621 using namespace GiNaC;
4622
4623 int main()
4624 @{
4625     symbol v("v"), c("c");
4626     
4627     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
4628     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
4629     
4630     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
4631          << mass_nonrel << endl;
4632     
4633     cout << "the inverse square of this series is " << endl
4634          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
4635 @}
4636 @end example
4637
4638 Only calling the series method makes the last output simplify to
4639 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
4640 series raised to the power @math{-2}.
4641
4642 @cindex Machin's formula
4643 As another instructive application, let us calculate the numerical 
4644 value of Archimedes' constant
4645 @tex
4646 $\pi$
4647 @end tex
4648 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
4649 using John Machin's amazing formula
4650 @tex
4651 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
4652 @end tex
4653 @ifnottex
4654 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
4655 @end ifnottex
4656 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
4657 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
4658 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
4659 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
4660 order term with it and the question arises what the system is supposed
4661 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
4662 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
4663 term off:
4664
4665 @example
4666 #include <ginac/ginac.h>
4667 using namespace GiNaC;
4668
4669 ex machin_pi(int degr)
4670 @{
4671     symbol x;
4672     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
4673     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
4674                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
4675     return pi_approx;
4676 @}
4677
4678 int main()
4679 @{
4680     using std::cout;  // just for fun, another way of...
4681     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
4682     ex pi_frac;
4683     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
4684         pi_frac = machin_pi(i);
4685         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
4686              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
4687     @}
4688     return 0;
4689 @}
4690 @end example
4691
4692 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
4693 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
4694 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
4695 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
4696 program, it will type out:
4697
4698 @example
4699 2:      3804/1195
4700         3.1832635983263598326
4701 4:      5359397032/1706489875
4702         3.1405970293260603143
4703 6:      38279241713339684/12184551018734375
4704         3.141621029325034425
4705 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4706         3.141591772182177295
4707 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4708         3.1415926824043995174
4709 @end example
4710
4711
4712 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4713 @c    node-name, next, previous, up
4714 @section Symmetrization
4715 @cindex @code{symmetrize()}
4716 @cindex @code{antisymmetrize()}
4717 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4718
4719 The three methods
4720
4721 @example
4722 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4723 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4724 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4725 @end example
4726
4727 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4728 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4729 weighted by the number of permutations.
4730
4731 The three additional methods
4732
4733 @example
4734 ex ex::symmetrize();
4735 ex ex::antisymmetrize();
4736 ex ex::symmetrize_cyclic();
4737 @end example
4738
4739 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4740
4741 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4742 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4743
4744 @example
4745 @{
4746     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4747     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4748                                            
4749     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4750      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4751     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4752      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4753     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4754      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4755 @}
4756 @end example
4757
4758 @node Built-in Functions, Complex Conjugation, Symmetrization, Methods and Functions
4759 @c    node-name, next, previous, up
4760 @section Predefined mathematical functions
4761 @c
4762 @subsection Overview
4763
4764 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4765
4766 @cartouche
4767 @multitable @columnfractions .30 .70
4768 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4769 @item @code{abs(x)}
4770 @tab absolute value
4771 @cindex @code{abs()}
4772 @item @code{csgn(x)}
4773 @tab complex sign
4774 @cindex @code{conjugate()}
4775 @item @code{conjugate(x)}
4776 @tab complex conjugation
4777 @cindex @code{csgn()}
4778 @item @code{sqrt(x)}
4779 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4780 @cindex @code{sqrt()}
4781 @item @code{sin(x)}
4782 @tab sine
4783 @cindex @code{sin()}
4784 @item @code{cos(x)}
4785 @tab cosine
4786 @cindex @code{cos()}
4787 @item @code{tan(x)}
4788 @tab tangent
4789 @cindex @code{tan()}
4790 @item @code{asin(x)}
4791 @tab inverse sine
4792 @cindex @code{asin()}
4793 @item @code{acos(x)}
4794 @tab inverse cosine
4795 @cindex @code{acos()}
4796 @item @code{atan(x)}
4797 @tab inverse tangent
4798 @cindex @code{atan()}
4799 @item @code{atan2(y, x)}
4800 @tab inverse tangent with two arguments
4801 @item @code{sinh(x)}
4802 @tab hyperbolic sine
4803 @cindex @code{sinh()}
4804 @item @code{cosh(x)}
4805 @tab hyperbolic cosine
4806 @cindex @code{cosh()}
4807 @item @code{tanh(x)}
4808 @tab hyperbolic tangent
4809 @cindex @code{tanh()}
4810 @item @code{asinh(x)}
4811 @tab inverse hyperbolic sine
4812 @cindex @code{asinh()}
4813 @item @code{acosh(x)}
4814 @tab inverse hyperbolic cosine
4815 @cindex @code{acosh()}
4816 @item @code{atanh(x)}
4817 @tab inverse hyperbolic tangent
4818 @cindex @code{atanh()}
4819 @item @code{exp(x)}
4820 @tab exponential function
4821 @cindex @code{exp()}
4822 @item @code{log(x)}
4823 @tab natural logarithm
4824 @cindex @code{log()}
4825 @item @code{Li2(x)}
4826 @tab dilogarithm
4827 @cindex @code{Li2()}
4828 @item @code{Li(m, x)}
4829 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
4830 @cindex @code{Li()}
4831 @item @code{S(n, p, x)}
4832 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
4833 @cindex @code{S()}
4834 @item @code{H(m, x)}
4835 @tab harmonic polylogarithm
4836 @cindex @code{H()}
4837 @item @code{zeta(m)}
4838 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
4839 @cindex @code{zeta()}
4840 @item @code{zeta(m, s)}
4841 @tab alternating Euler sum
4842 @cindex @code{zeta()}
4843 @item @code{zetaderiv(n, x)}
4844 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4845 @item @code{tgamma(x)}
4846 @tab gamma function
4847 @cindex @code{tgamma()}
4848 @cindex gamma function
4849 @item @code{lgamma(x)}
4850 @tab logarithm of gamma function
4851 @cindex @code{lgamma()}
4852 @item @code{beta(x, y)}
4853 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4854 @cindex @code{beta()}
4855 @item @code{psi(x)}
4856 @tab psi (digamma) function
4857 @cindex @code{psi()}
4858 @item @code{psi(n, x)}
4859 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4860 @item @code{factorial(n)}
4861 @tab factorial function
4862 @cindex @code{factorial()}
4863 @item @code{binomial(n, m)}
4864 @tab binomial coefficients
4865 @cindex @code{binomial()}
4866 @item @code{Order(x)}
4867 @tab order term function in truncated power series
4868 @cindex @code{Order()}
4869 @end multitable
4870 @end cartouche
4871
4872 @cindex branch cut
4873 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4874 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4875 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4876 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4877 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4878 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4879 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4880 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4881 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4882 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4883 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4884 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4885 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4886 compatible with C99.
4887
4888 @subsection Multiple polylogarithms
4889
4890 @cindex polylogarithm
4891 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
4892 @cindex harmonic polylogarithm
4893 @cindex multiple zeta value
4894 @cindex alternating Euler sum
4895 @cindex multiple polylogarithm
4896
4897 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
4898 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
4899 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
4900 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
4901 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
4902 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
4903
4904 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
4905 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
4906 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
4907
4908 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
4909 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
4910 for the argument @code{x} as well.
4911 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
4912 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
4913 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
4914 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
4915 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
4916
4917 The functions print in LaTeX format as
4918 @tex
4919 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
4920 @end tex
4921 @tex
4922 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
4923 @end tex
4924 @tex
4925 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
4926 @end tex
4927 @tex
4928 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
4929 @end tex
4930 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
4931 are printed with a line above, e.g.
4932 @tex
4933 $\zeta(5,\overline{2})$.
4934 @end tex
4935 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
4936
4937 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
4938 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
4939 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
4940 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
4941
4942 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
4943 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
4944 the series representation. This means
4945 @tex
4946 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
4947 @end tex
4948 @tex
4949 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
4950 @end tex
4951 @tex
4952 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
4953 @end tex
4954 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
4955 is reversed.
4956
4957 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
4958 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
4959 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
4960 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
4961 @tex
4962 $\zeta(\overline{3},4)$.
4963 @end tex
4964 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
4965 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
4966 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
4967 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
4968 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
4969 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
4970 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
4971
4972 @example
4973 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
4974 S(2,2,x)
4975 > H(@{-3,2@},1);
4976 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
4977 > S(3,1,1);
4978 1/90*Pi^4
4979 @end example
4980
4981 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
4982 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
4983 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
4984 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
4985 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
4986 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
4987
4988 @example
4989 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
4990 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
4991 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
4992 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
4993 @end example
4994
4995 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
4996 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
4997 @tex
4998 $x_i$ the condition
4999 @end tex
5000 @tex
5001 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5002 @end tex
5003
5004 @example
5005 > Digits=100;
5006 100
5007 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5008 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5009 @end example
5010
5011 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5012 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5013
5014 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5015 unevaluated, e.g.
5016 @tex
5017 $\zeta(1)$.
5018 @end tex
5019 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5020 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5021 cancellations of divergencies happen.
5022
5023 Useful publications:
5024
5025 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5026 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5027
5028 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5029 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5030
5031 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5032 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5033
5034 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Built-in Functions, Methods and Functions
5035 @c    node-name, next, previous, up
5036 @section Complex Conjugation
5037 @c
5038 @cindex @code{conjugate()}
5039
5040 The method
5041
5042 @example
5043 ex ex::conjugate();
5044 @end example
5045
5046 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5047 conjugation gives the expected results:
5048
5049 @example
5050 @{
5051     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5052     symbol x("x");
5053     realsymbol y("y");
5054                                            
5055     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5056      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5057     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5058      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5059 @}
5060 @end example
5061
5062 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5063 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5064 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5065 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5066 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5067
5068 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5069 @c    node-name, next, previous, up
5070 @section Solving Linear Systems of Equations
5071 @cindex @code{lsolve()}
5072
5073 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5074 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5075 needs to be solved:
5076
5077 @example
5078 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5079 @end example
5080
5081 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5082 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5083 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5084 @code{lst}).
5085
5086 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5087 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5088
5089 @example
5090 @{
5091     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5092     lst eqns, vars;
5093     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5094     vars = x, y;
5095     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5096      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5097 @end example
5098
5099 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5100 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5101 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5102 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5103 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5104 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5105 around that method.
5106
5107
5108 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5109 @c    node-name, next, previous, up
5110 @section Input and output of expressions
5111 @cindex I/O
5112
5113 @subsection Expression output
5114 @cindex printing
5115 @cindex output of expressions
5116
5117 Expressions can simply be written to any stream:
5118
5119 @example
5120 @{
5121     symbol x("x");
5122     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5123     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5124     // ...
5125 @end example
5126
5127 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5128 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5129 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5130 is printed as @samp{x^2}).
5131
5132 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5133 a set of stream manipulators;
5134
5135 @example
5136 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5137 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5138 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5139 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5140 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5141 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5142 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5143 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5144 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5145 @end example
5146
5147 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5148 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5149 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5150
5151 @cindex @code{dflt}
5152 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5153 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5154
5155 @example
5156     // ...
5157     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5158     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5159     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5160     cout << dflt;             // revert to default output format
5161     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5162     // ...
5163 @end example
5164
5165 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5166 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5167
5168 @example
5169     // ...
5170     ostringstream s;
5171     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5172     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5173     // ...
5174 @end example
5175
5176 @cindex @code{csrc}
5177 @cindex @code{csrc_float}
5178 @cindex @code{csrc_double}
5179 @cindex @code{csrc_cl_N}
5180 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5181 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5182 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5183 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5184 classes provided by the CLN library):
5185
5186 @example
5187     // ...
5188     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5189     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5190     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5191     // ...
5192 @end example
5193
5194 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5195 @code{x*x}):
5196
5197 @example
5198 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5199 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5200 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5201 @end example
5202
5203 @cindex @code{tree}
5204 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5205 expression for debugging purposes:
5206
5207 @example
5208     // ...
5209     cout << tree << e;
5210 @}
5211 @end example
5212
5213 produces
5214
5215 @example
5216 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5217     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5218         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5219         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5220     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5221     -----
5222     overall_coeff
5223     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5224     =====
5225 @end example
5226
5227 @cindex @code{latex}
5228 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5229 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5230 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5231 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5232 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5233 constructor.
5234
5235 For example, the code snippet
5236
5237 @example
5238 @{
5239     symbol x("x", "\\circ");
5240     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5241     cout << latex << e << endl;
5242 @}
5243 @end example
5244
5245 will print
5246
5247 @example
5248     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5249 @end example
5250
5251 @cindex @code{index_dimensions}
5252 @cindex @code{no_index_dimensions}
5253 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5254 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5255 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5256 formats:
5257
5258 @example
5259 @{
5260     symbol x("x"), y("y");
5261     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5262     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5263
5264     cout << e << endl;
5265      // prints 'x~mu*y~nu'
5266     cout << index_dimensions << e << endl;
5267      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5268     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5269      // prints 'x~mu*y~nu'
5270 @}
5271 @end example
5272
5273
5274 @cindex Tree traversal
5275 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5276 with other algebra systems or for producing code for different
5277 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5278
5279 @example
5280 static void my_print(const ex & e)
5281 @{
5282     if (is_a<function>(e))
5283         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5284     else
5285         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5286     cout << "(";
5287     size_t n = e.nops();
5288     if (n)
5289         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5290             my_print(e.op(i));
5291             if (i != n-1)
5292                 cout << ",";
5293         @}
5294     else
5295         cout << e;
5296     cout << ")";
5297 @}
5298
5299 int main()
5300 @{
5301     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5302     return 0;
5303 @}
5304 @end example
5305
5306 This will produce
5307
5308 @example
5309 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5310 symbol(y))),numeric(-2)))
5311 @end example
5312
5313 If you need an output format that makes it possible to accurately
5314 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5315 object factory, you should consider storing the expression in an
5316 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5317 See the section on archiving for more information.
5318
5319
5320 @subsection Expression input
5321 @cindex input of expressions
5322
5323 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5324 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5325 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5326 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5327 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5328
5329 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5330 list of symbols to be used:
5331
5332 @example
5333 @{
5334     symbol x("x"), y("y");
5335     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5336 @}
5337 @end example
5338
5339 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5340 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5341 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5342 the list it will throw an exception.
5343
5344 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5345
5346 @example
5347 #include <iostream>
5348 #include <string>
5349 #include <stdexcept>
5350 #include <ginac/ginac.h>
5351 using namespace std;
5352 using namespace GiNaC;
5353
5354 int main()
5355 @{
5356     symbol x("x");
5357     string s;
5358
5359     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5360     getline(cin, s);
5361
5362     try @{
5363         ex e(s, lst(x));
5364         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5365         cout << e.diff(x) << ".\n";
5366     @} catch (exception &p) @{
5367         cerr << p.what() << endl;
5368     @}
5369 @}
5370 @end example
5371
5372
5373 @subsection Archiving
5374 @cindex @code{archive} (class)
5375 @cindex archiving
5376
5377 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5378 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5379 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5380 expression a unique name:
5381
5382 @example
5383 #include <fstream>
5384 using namespace std;
5385 #include <ginac/ginac.h>
5386 using namespace GiNaC;
5387
5388 int main()
5389 @{
5390     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5391
5392     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5393     ex bar = foo + 1;
5394
5395     archive a;
5396     a.archive_ex(foo, "foo");
5397     a.archive_ex(bar, "the second one");
5398     // ...
5399 @end example
5400
5401 The archive can then be written to a file:
5402
5403 @example
5404     // ...
5405     ofstream out("foobar.gar");
5406     out << a;
5407     out.close();
5408     // ...
5409 @end example
5410
5411 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5412 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5413
5414 @cindex @command{viewgar}
5415 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5416 the contents of GiNaC archive files:
5417
5418 @example
5419 $ viewgar foobar.gar
5420 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5421 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5422 @end example
5423
5424 The point of writing archive files is of course that they can later be
5425 read in again:
5426
5427 @example
5428     // ...
5429     archive a2;
5430     ifstream in("foobar.gar");
5431     in >> a2;
5432     // ...
5433 @end example
5434
5435 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5436
5437 @example
5438     // ...
5439     lst syms;
5440     syms = x, y;
5441
5442     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5443     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5444
5445     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5446     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5447     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5448 @}
5449 @end example
5450
5451 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5452 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5453 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5454 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5455 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5456 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5457 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5458 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5459
5460 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5461 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5462 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5463 functions that let you access the stored properties:
5464
5465 @example
5466 static void my_print2(const archive_node & n)
5467 @{
5468     string class_name;
5469     n.find_string("class", class_name);
5470     cout << class_name << "(";
5471
5472     archive_node::propinfovector p;
5473     n.get_properties(p);
5474
5475     size_t num = p.size();
5476     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5477         const string &name = p[i].name;
5478         if (name == "class")
5479             continue;
5480         cout << name << "=";
5481
5482         unsigned count = p[i].count;
5483         if (count > 1)
5484             cout << "@{";
5485
5486         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5487             switch (p[i].type) @{
5488                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5489                     bool x;
5490                     n.find_bool(name, x, j);
5491                     cout << (x ? "true" : "false");
5492                     break;
5493                 @}
5494                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5495                     unsigned x;
5496                     n.find_unsigned(name, x, j);
5497                     cout << x;
5498                     break;
5499                 @}
5500                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5501                     string x;
5502                     n.find_string(name, x, j);
5503                     cout << '\"' << x << '\"';
5504                     break;
5505                 @}
5506                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5507                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5508                     my_print2(x);
5509                     break;
5510                 @}
5511             @}
5512
5513             if (j != count-1)
5514                 cout << ",";
5515         @}
5516
5517         if (count > 1)
5518             cout << "@}";
5519
5520         if (i != num-1)
5521             cout << ",";
5522     @}
5523
5524     cout << ")";
5525 @}
5526
5527 int main()
5528 @{
5529     ex e = pow(2, x) - y;
5530     archive ar(e, "e");
5531     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5532     return 0;
5533 @}
5534 @end example
5535
5536 This will produce:
5537
5538 @example
5539 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5540 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5541 overall_coeff=numeric(number="0"))
5542 @end example
5543
5544 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5545 class may change between GiNaC versions.
5546
5547
5548 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5549 @c    node-name, next, previous, up
5550 @chapter Extending GiNaC
5551
5552 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5553 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
5554 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5555 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5556 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5557 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5558
5559 @menu
5560 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5561 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5562 * Printing::                         Adding new output formats.
5563 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5564 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5565 @end menu
5566
5567
5568 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5569 @c    node-name, next, previous, up
5570 @section What doesn't belong into GiNaC
5571
5572 @cindex @command{ginsh}
5573 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5574 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5575 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5576 language.  There are no loops or conditional expressions in
5577 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5578 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5579 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5580 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5581 the future.
5582
5583 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5584 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5585 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5586 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5587 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5588 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5589 provided by CLN are much better suited.
5590
5591
5592 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5593 @c    node-name, next, previous, up
5594 @section Symbolic functions
5595
5596 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5597 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5598 two preprocessor macros:
5599
5600 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5601 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5602 @example
5603 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
5604 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
5605 @end example
5606
5607 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
5608 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
5609 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
5610 @code{function} object that represents your function.
5611
5612 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
5613 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
5614 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
5615 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
5616 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
5617 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
5618 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
5619 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
5620
5621 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
5622 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
5623 done our best to avoid macros where we can.)
5624
5625 @subsection A minimal example
5626
5627 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
5628 that is not further evaluated:
5629
5630 @example
5631 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
5632
5633 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
5634 @end example
5635
5636 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
5637 in algebraic expressions:
5638
5639 @example
5640 @{
5641     ...
5642     symbol x("x");
5643     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
5644     cout << e << endl;
5645      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
5646     ...
5647 @}
5648 @end example
5649
5650 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
5651 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
5652 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
5653 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
5654
5655 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
5656 example of how to make an "intelligent" function.
5657
5658 @subsection The cosine function
5659
5660 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
5661
5662 @example
5663 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
5664 @end example
5665
5666 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
5667 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
5668 this function in expressions.
5669
5670 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
5671 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
5672
5673 @example
5674 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
5675                        evalf_func(cos_evalf).
5676                        derivative_func(cos_deriv).
5677                        latex_name("\\cos"));
5678 @end example
5679
5680 There are four options defined for the cosine function. One of them
5681 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
5682 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
5683 function are defined.
5684
5685 @cindex @code{hold()}
5686 @cindex evaluation
5687 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
5688 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
5689 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
5690 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
5691 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
5692 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
5693 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
5694 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
5695 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
5696 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
5697 somewhere.
5698
5699 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
5700 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
5701 what is going on):
5702
5703 @example
5704 static ex cos_eval(const ex & x)
5705 @{
5706     if ("x is a multiple of 2*Pi")
5707         return 1;
5708     else if ("x is a multiple of Pi")
5709         return -1;
5710     else if ("x is a multiple of Pi/2")
5711         return 0;
5712     // more rules...
5713
5714     else if ("x has the form 'acos(y)'")
5715         return y;
5716     else if ("x has the form 'asin(y)'")
5717         return sqrt(1-y^2);
5718     // more rules...
5719
5720     else
5721         return cos(x).hold();
5722 @}
5723 @end example
5724
5725 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
5726
5727 @example
5728 @{
5729     ...
5730     e = cos(Pi);
5731      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
5732      // the actual expression
5733     cout << e << endl;
5734      // prints '-1'
5735     ...
5736 @}
5737 @end example
5738
5739 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
5740 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
5741 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
5742 with @code{.hold()}.
5743
5744 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
5745 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
5746 different function:
5747
5748 @example
5749 static ex cos_evalf(const ex & x)
5750 @{
5751     if (is_a<numeric>(x))
5752         return cos(ex_to<numeric>(x));
5753     else
5754         return cos(x).hold();
5755 @}
5756 @end example
5757
5758 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
5759 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
5760 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
5761 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
5762 function would require it in this place.
5763
5764 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
5765 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
5766 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
5767 @code{ex::diff}):
5768
5769 @example
5770 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
5771 @{
5772     return -sin(x);
5773 @}
5774 @end example
5775
5776 @cindex product rule
5777 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
5778 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
5779 case the function has more than one parameter, and its main application
5780 is for correct handling of the chain rule.
5781
5782 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
5783 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
5784 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
5785 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
5786
5787 @example
5788 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
5789                      int order, unsigned options)
5790 @{
5791     // Find the actual expansion point
5792     const ex x_pt = x.subs(rel);
5793
5794     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
5795         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
5796
5797     // On a pole, expand sin()/cos()
5798     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
5799 @}
5800 @end example
5801
5802 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
5803 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
5804
5805 @subsection Function options
5806
5807 GiNaC functions understand several more options which are always
5808 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
5809 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
5810 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
5811 functions without any special options.
5812
5813 @example
5814 eval_func(<C++ function>)
5815 evalf_func(<C++ function>)
5816 derivative_func(<C++ function>)
5817 series_func(<C++ function>)
5818 conjugate_func(<C++ function>)
5819 @end example
5820
5821 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
5822 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
5823 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
5824 @code{diff()} and @code{series()}.
5825
5826 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
5827 automatic evaluation is desired or possible.
5828
5829 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
5830 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
5831 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
5832 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
5833 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
5834 suitable transformation.
5835
5836 @example
5837 latex_name(const string & n)
5838 @end example
5839
5840 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
5841 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
5842
5843 @example
5844 do_not_evalf_params()
5845 @end example
5846
5847 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
5848 function before calling the @code{evalf_func()}.
5849
5850 @example
5851 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
5852 @end example
5853
5854 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
5855 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
5856 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
5857 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
5858 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
5859 commutation properties of their first argument.
5860
5861 @example
5862 set_symmetry(const symmetry & s)
5863 @end example
5864
5865 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
5866 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
5867 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
5868 symmetric functions into a canonical order.
5869
5870 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
5871 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
5872 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
5873 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
5874 with the
5875
5876 @example
5877 print_func<C>(<C++ function>)
5878 @end example
5879
5880 option which is explained in the next section.
5881
5882
5883 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
5884 @c    node-name, next, previous, up
5885 @section GiNaC's expression output system
5886
5887 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
5888 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
5889 is implemented internally, and how to define your own output formats or
5890 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
5891 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
5892 functions.
5893
5894 @cindex @code{print_context} (class)
5895 @cindex @code{print_dflt} (class)
5896 @cindex @code{print_latex} (class)
5897 @cindex @code{print_tree} (class)
5898 @cindex @code{print_csrc} (class)
5899 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
5900 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
5901 header file:
5902
5903 @table @code
5904 @item print_dflt
5905 the default output format
5906 @item print_latex
5907 output in LaTeX mathematical mode
5908 @item print_tree
5909 a dump of the internal expression structure (for debugging)
5910 @item print_csrc
5911 the base class for C source output
5912 @item print_csrc_float
5913 C source output using the @code{float} type
5914 @item print_csrc_double
5915 C source output using the @code{double} type
5916 @item print_csrc_cl_N
5917 C source output using CLN types
5918 @end table
5919
5920 The @code{print_context} base class provides two public data members:
5921
5922 @example
5923 class print_context
5924 @{
5925     ...
5926 public:
5927     std::ostream & s;
5928     unsigned options;
5929 @};
5930 @end example
5931
5932 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
5933 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
5934 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
5935 to print the index dimension which is normally hidden.
5936
5937 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
5938 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
5939 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
5940 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
5941
5942 @cindex @code{print()}
5943 @example
5944 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
5945 @end example
5946
5947 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
5948 top-level algebraic object contained in the expression.
5949
5950 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
5951 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
5952 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
5953 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
5954 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
5955 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
5956 (single) virtual function dispatch.
5957
5958 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
5959 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
5960 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
5961 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
5962 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
5963 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
5964 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
5965 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
5966 object's class name enclosed in square brackets).
5967
5968 You can think of the print methods of all the different classes and output
5969 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
5970 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
5971 classes.
5972
5973 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
5974 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
5975 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
5976 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
5977 methods at run-time).
5978
5979 @subsection Print methods for classes
5980
5981 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
5982 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
5983 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
5984 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
5985 can also be used to override existing methods dynamically.
5986
5987 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
5988 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
5989 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
5990 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
5991 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
5992 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
5993 the class is the one being implemented by
5994 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
5995
5996 For print methods that are member functions, their first argument must be of
5997 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
5998 @code{unsigned}.
5999
6000 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6001 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6002 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6003 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6004 private and protected members of @code{T}.
6005
6006 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6007 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6008 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6009 purposes if you write your own output formats.
6010
6011 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6012 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6013 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6014 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6015
6016 @example
6017 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6018                              const print_latex & c,
6019                              unsigned level)
6020 @{
6021     // get the precedence of the 'power' class
6022     unsigned power_prec = p.precedence();
6023
6024     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6025     // we need parentheses around the power
6026     if (level >= power_prec)
6027         c.s << '(';
6028
6029     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6030     // separated by an uparrow
6031     c.s << '@{';
6032     p.op(0).print(c, power_prec);
6033     c.s << "@}\\uparrow@{";
6034     p.op(1).print(c, power_prec);
6035     c.s << '@}';
6036
6037     // don't forget the closing parenthesis
6038     if (level >= power_prec)
6039         c.s << ')';
6040 @}
6041                                                                                 
6042 int main()
6043 @{
6044     // a sample expression
6045     symbol x("x"), y("y");
6046     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6047
6048     // switch to LaTeX mode
6049     cout << latex;
6050
6051     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6052     cout << e << endl;
6053
6054     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6055     // our own one
6056     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6057
6058     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6059     cout << e << endl;
6060 @}
6061 @end example
6062
6063 Some notes:
6064
6065 @itemize
6066
6067 @item
6068 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6069 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6070
6071 @item
6072 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6073 @code{power} objects for the purpose of printing.
6074
6075 @item
6076 The output of products including negative powers as fractions is also
6077 controlled by the @code{mul} class.
6078
6079 @item
6080 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6081 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6082
6083 @end itemize
6084
6085 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6086 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6087 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6088 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6089 sources, find the method that is installed at startup
6090 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6091 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6092
6093 @subsection Print methods for functions
6094
6095 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6096 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6097 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6098 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6099 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6100
6101 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6102
6103 @example
6104 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6105 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6106                                                                                 
6107 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6108 @{
6109     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6110 @}
6111                                                                                 
6112 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6113 @{
6114     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6115 @}
6116                                                                                 
6117 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6118                        evalf_func(abs_evalf).
6119                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6120                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6121                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6122 @end example
6123
6124 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6125 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6126
6127 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6128
6129 @subsection Adding new output formats
6130
6131 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6132 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6133 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6134 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6135 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6136 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6137 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6138 options value.
6139
6140 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6141
6142 @example
6143 class print_myformat : public print_dflt
6144 @{
6145     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6146 public:
6147     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6148      : print_dflt(os, opt) @{@}
6149 @};
6150
6151 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6152
6153 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6154 @end example
6155
6156 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6157 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6158 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6159 format are implemented as print methods, as described above.
6160
6161 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6162 exactly like GiNaC's default output format:
6163
6164 @example
6165 @{
6166     symbol x("x");
6167     ex e = pow(x, 2) + 1;
6168
6169     // this prints "1+x^2"
6170     cout << e << endl;
6171     
6172     // this also prints "1+x^2"
6173     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6174
6175     ...
6176 @}
6177 @end example
6178
6179 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6180 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6181
6182 @example
6183 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6184 // example above for explanations.
6185 void print_power_as_myformat(const power & p,
6186                              const print_myformat & c,
6187                              unsigned level)
6188 @{
6189     unsigned power_prec = p.precedence();
6190     if (level >= power_prec)
6191         c.s << '(';
6192     p.op(0).print(c, power_prec);
6193     c.s << "**";
6194     p.op(1).print(c, power_prec);
6195     if (level >= power_prec)
6196         c.s << ')';
6197 @}
6198
6199 @{
6200     ...
6201     // install a new print method for power objects
6202     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6203
6204     // now this prints "1+x**2"
6205     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6206
6207     // but the default format is still "1+x^2"
6208     cout << e << endl;
6209 @}
6210 @end example
6211
6212
6213 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6214 @c    node-name, next, previous, up
6215 @section Structures
6216
6217 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6218 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6219 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6220 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6221 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6222
6223 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6224 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6225 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6226 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6227 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6228 read both sections because many common concepts and member functions are
6229 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6230 is most suited to your needs.
6231
6232 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6233 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6234 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6235
6236 @subsection Example: scalar products
6237
6238 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6239 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6240 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6241 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6242 product in a C++ @code{struct}:
6243
6244 @example
6245 #include <iostream>
6246 using namespace std;
6247
6248 #include <ginac/ginac.h>
6249 using namespace GiNaC;
6250
6251 struct sprod_s @{
6252     ex left, right;
6253
6254     sprod_s() @{@}
6255     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6256 @};
6257 @end example
6258
6259 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6260 data structure, we need only one line:
6261
6262 @example
6263 typedef structure<sprod_s> sprod;
6264 @end example
6265
6266 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6267 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6268 expressions like any other GiNaC class:
6269
6270 @example
6271 ...
6272     symbol a("a"), b("b");
6273     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6274 ...
6275 @end example
6276
6277 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6278 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6279 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6280 constructed from an @code{sprod_s} object.
6281
6282 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6283 you could define a little wrapper function like this:
6284
6285 @example
6286 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6287 @{
6288     return sprod(sprod_s(left, right));
6289 @}
6290 @end example
6291
6292 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6293 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6294 @code{get_struct()}:
6295
6296 @example
6297 ...
6298     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6299      // -> a
6300     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6301      // -> b
6302 ...
6303 @end example
6304
6305 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6306
6307 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6308 that deal with scalar products, for example:
6309
6310 @example
6311 ex swap_sprod(ex p)
6312 @{
6313     if (is_a<sprod>(p)) @{
6314         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6315         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6316     @} else
6317         return p;
6318 @}
6319
6320 ...
6321     f = swap_sprod(e);
6322      // f is now <b|a>
6323 ...
6324 @end example
6325
6326 @subsection Structure output
6327
6328 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6329 desired, most notably proper output:
6330
6331 @example
6332 ...
6333     cout << e << endl;
6334      // -> [structure object]
6335 ...
6336 @end example
6337
6338 By default, any structure types you define will be printed as
6339 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6340 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6341 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6342 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6343 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6344 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6345
6346 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6347 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6348
6349 @example
6350 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6351 @{
6352     // tree debug output handled by superclass
6353     if (is_a<print_tree>(c))
6354         inherited::print(c, level);
6355
6356     // get the contained sprod_s object
6357     const sprod_s & sp = get_struct();
6358
6359     // print_context::s is a reference to an ostream
6360     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6361 @}
6362 @end example
6363
6364 Now we can print expressions containing scalar products:
6365
6366 @example
6367 ...
6368     cout << e << endl;
6369      // -> <a|b>
6370     cout << swap_sprod(e) << endl;
6371      // -> <b|a>
6372 ...
6373 @end example
6374
6375 @subsection Comparing structures
6376
6377 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6378 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6379 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6380 and undesired behavior:
6381
6382 @example
6383 ...
6384     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6385      // -> 0
6386     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6387      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6388 ...
6389 @end example
6390
6391 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6392 for objects of type @code{sprod_s}:
6393
6394 @example
6395 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6396 @{
6397     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6398 @}
6399
6400 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6401 @{
6402     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6403 @}
6404 @end example
6405
6406 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6407 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6408 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6409 in the implementation of these operators because they would construct
6410 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6411 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6412 decide which one is algebraically 'less').
6413
6414 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6415 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6416
6417 @example
6418 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6419 @end example
6420
6421 @code{sprod} objects then behave as expected:
6422
6423 @example
6424 ...
6425     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6426      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6427     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6428      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6429     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6430      // -> 0
6431     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6432      // -> 2*<a|b>
6433 ...
6434 @end example
6435
6436 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6437 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6438 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6439 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6440 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6441 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6442
6443 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6444 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6445 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6446 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6447 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6448 undefined value) that the @code{T} class might have.
6449
6450 @subsection Subexpressions
6451
6452 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6453 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6454 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6455
6456 @example
6457 size_t sprod::nops() const
6458 @{
6459     return 2;
6460 @}
6461
6462 ex sprod::op(size_t i) const
6463 @{
6464     switch (i) @{
6465     case 0:
6466         return get_struct().left;
6467     case 1:
6468         return get_struct().right;
6469     default:
6470         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
6471     @}
6472 @}
6473 @end example
6474
6475 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
6476 @code{sprod} has two other nice side effects:
6477
6478 @itemize @bullet
6479 @item
6480 @code{has()} works as expected
6481 @item
6482 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
6483 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
6484 @end itemize
6485
6486 @cindex @code{let_op()}
6487 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
6488 allows replacing subexpressions:
6489
6490 @example
6491 ex & sprod::let_op(size_t i)
6492 @{
6493     // every non-const member function must call this
6494     ensure_if_modifiable();
6495
6496     switch (i) @{
6497     case 0:
6498         return get_struct().left;
6499     case 1:
6500         return get_struct().right;
6501     default:
6502         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
6503     @}
6504 @}
6505 @end example
6506
6507 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
6508 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
6509 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
6510 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
6511
6512 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
6513 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
6514 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
6515 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
6516 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
6517 This is left as an exercise for the reader.
6518
6519 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
6520 you can override by specialization to customize the behavior of your
6521 structures. You are referred to the next section for a description of
6522 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
6523 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
6524 @code{structure<T>} template: archiving.
6525
6526 @subsection Archiving structures
6527
6528 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
6529 should first read the next section and then come back here. You're back?
6530 Good.
6531
6532 To implement archiving for structures it is not enough to provide
6533 specializations for the @code{archive()} member function and the
6534 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
6535 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
6536 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
6537 the class of an object is stored as a string, the class name.
6538
6539 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
6540 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
6541 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
6542 need to provide a different name for each by specializing the
6543 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
6544 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
6545
6546 @example
6547 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
6548
6549 void sprod::archive(archive_node & n) const
6550 @{
6551     inherited::archive(n);
6552     n.add_ex("left", get_struct().left);
6553     n.add_ex("right", get_struct().right);
6554 @}
6555
6556 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6557 @{
6558     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
6559     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
6560 @}
6561 @end example
6562
6563 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
6564 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
6565 @code{sprod::unarchive()} function.
6566
6567
6568 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
6569 @c    node-name, next, previous, up
6570 @section Adding classes
6571
6572 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
6573 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
6574 severe of which being that you can't add any new member functions to
6575 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
6576 from scratch.
6577
6578 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
6579 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
6580 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
6581 required member functions are that you have to implement. We only cover the
6582 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
6583 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
6584 representing tensor products is more involved but this section should give
6585 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
6586 classes if you want to implement something more complicated.
6587
6588 @subsection GiNaC's run-time type information system
6589
6590 @cindex hierarchy of classes
6591 @cindex RTTI
6592 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
6593 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
6594 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
6595 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
6596 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
6597 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
6598 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
6599 system that provides this kind of information is called a run-time type
6600 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
6601 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
6602 implements its own, simpler RTTI.
6603
6604 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
6605
6606 @itemize @bullet
6607
6608 @item
6609 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
6610 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
6611 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
6612 classes. They all start with @code{TINFO_}.
6613
6614 @item
6615 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
6616 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
6617 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
6618 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
6619 @file{registrar.h} header file.
6620
6621 @end itemize
6622
6623 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
6624 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
6625 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
6626 macros.
6627
6628 @subsection A minimalistic example
6629
6630 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
6631 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
6632 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
6633 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
6634 for your own classes.
6635
6636 The code snippets given here assume that you have included some header files
6637 as follows:
6638
6639 @example
6640 #include <iostream>
6641 #include <string>   
6642 #include <stdexcept>
6643 using namespace std;
6644
6645 #include <ginac/ginac.h>
6646 using namespace GiNaC;
6647 @end example
6648
6649 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
6650 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
6651 by one of the existing classes but it's better to come up with something
6652 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
6653 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
6654 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
6655
6656 @example
6657 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
6658 @end example
6659
6660 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
6661 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
6662 object from a C or C++ string:
6663
6664 @example
6665 class mystring : public basic
6666 @{
6667     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6668   
6669 public:
6670     mystring(const string &s);
6671     mystring(const char *s);
6672
6673 private:
6674     string str;
6675 @};
6676
6677 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6678 @end example
6679
6680 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
6681 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
6682 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
6683 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
6684 the first line after the opening brace of the class definition. The
6685 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
6686 source (at global scope, of course, not inside a function).
6687
6688 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
6689 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
6690 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
6691 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
6692 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
6693 class with the GiNaC RTTI (there is also a
6694 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
6695 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
6696
6697 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
6698 class:
6699
6700 @itemize
6701
6702 @item
6703 @code{mystring()}, the default constructor.
6704
6705 @item
6706 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
6707 information needed to reconstruct an object of this class inside an
6708 @code{archive_node}.
6709
6710 @item
6711 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
6712 constructor. This constructs an instance of the class from the information
6713 found in an @code{archive_node}.
6714
6715 @item
6716 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
6717 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
6718 constructor.
6719
6720 @item
6721 @cindex @code{compare_same_type()}
6722 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
6723 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
6724 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
6725 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
6726 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
6727 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
6728 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
6729 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
6730 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
6731 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
6732 defined.
6733
6734 @item
6735 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
6736 which are the two constructors we declared.
6737
6738 @end itemize
6739
6740 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
6741
6742 @example
6743 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
6744 @end example
6745
6746 The golden rule is that in all constructors you have to set the
6747 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
6748 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
6749 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
6750 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
6751 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
6752 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
6753 to the right value manually.
6754
6755 In the default constructor you should set all other member variables to
6756 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
6757 member gets set to an empty string automatically).
6758
6759 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
6760 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
6761 is really simple.  First, the archiving function:
6762
6763 @example
6764 void mystring::archive(archive_node &n) const
6765 @{
6766     inherited::archive(n);
6767     n.add_string("string", str);
6768 @}
6769 @end example
6770
6771 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
6772 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
6773 deem necessary for representing the object into the passed
6774 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
6775 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
6776 file.
6777
6778 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
6779 function:
6780
6781 @example
6782 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6783 @{
6784     n.find_string("string", str);
6785 @}
6786 @end example
6787
6788 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
6789 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
6790 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
6791 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
6792
6793 Finally, the unarchiving function:
6794
6795 @example
6796 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
6797 @{
6798     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
6799 @}
6800 @end example
6801
6802 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
6803 four lines into your code literally (replacing the class name, of
6804 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
6805 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
6806 to global objects) you don't need a different implementation. For those
6807 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
6808 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
6809 automatically once it is no longer referenced.
6810
6811 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
6812 the string members:
6813
6814 @example
6815 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
6816 @{
6817     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
6818     int cmpval = str.compare(o.str);
6819     if (cmpval == 0)
6820         return 0;
6821     else if (cmpval < 0)
6822         return -1;
6823     else
6824         return 1;
6825 @}
6826 @end example
6827
6828 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
6829 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
6830 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
6831 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
6832 all relevant member variables.
6833
6834 Now the only thing missing is our two new constructors:
6835
6836 @example
6837 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6838 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6839 @end example
6840
6841 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
6842 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
6843
6844 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
6845 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
6846
6847 @example
6848 ex e = mystring("Hello, world!");
6849 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
6850  // -> 1 (true)
6851
6852 cout << e.bp->class_name() << endl;
6853  // -> mystring
6854 @end example
6855
6856 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
6857
6858 @example
6859 cout << e << endl;
6860  // -> [mystring object]
6861 @end example
6862
6863 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
6864 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
6865 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
6866 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
6867 surrounded by double quotes:
6868
6869 @example
6870 class mystring : public basic
6871 @{
6872     ...
6873 protected:
6874     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
6875     ...
6876 @};
6877
6878 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
6879 @{
6880     // print_context::s is a reference to an ostream
6881     c.s << '\"' << str << '\"';
6882 @}
6883 @end example
6884
6885 The @code{level} argument is only required for container classes to
6886 correctly parenthesize the output.
6887
6888 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
6889 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
6890 replace the line
6891
6892 @example
6893 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6894 @end example
6895
6896 with
6897
6898 @example
6899 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
6900   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
6901 @end example
6902
6903 Let's try again to print the expression:
6904
6905 @example
6906 cout << e << endl;
6907  // -> "Hello, world!"
6908 @end example
6909
6910 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
6911 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
6912 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
6913 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
6914 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
6915 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
6916 way expression output is implemented in GiNaC.
6917
6918 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
6919
6920 @example
6921 e += mystring("GiNaC rulez"); 
6922 cout << e << endl;
6923  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
6924 @end example
6925
6926 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
6927
6928 @example
6929 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
6930 cout << e << endl;
6931  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
6932 @end example
6933
6934 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
6935 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
6936 for your objects.
6937
6938 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
6939
6940 @example
6941 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
6942 cout << e << endl;
6943  // -> "Wow"^2
6944
6945 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
6946 cout << e.expand() << endl;
6947  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
6948 @end example
6949
6950 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
6951 concatenation. You would have to implement this yourself.
6952
6953 @subsection Automatic evaluation
6954
6955 @cindex evaluation
6956 @cindex @code{eval()}
6957 @cindex @code{hold()}
6958 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
6959 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
6960 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
6961 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
6962 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
6963 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
6964
6965 @example
6966 class mystring : public basic
6967 @{
6968     ...
6969 public:
6970     ex eval(int level = 0) const;
6971     ...
6972 @};
6973
6974 ex mystring::eval(int level) const
6975 @{
6976     string new_str;
6977     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
6978         char c = str[i];
6979         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
6980             new_str += tolower(c);
6981         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
6982             new_str += c;
6983     @}
6984
6985     if (new_str.length() == 0)
6986         return 0;
6987     else
6988         return mystring(new_str).hold();
6989 @}
6990 @end example
6991
6992 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
6993 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
6994 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
6995 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
6996 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
6997 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
6998 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
6999 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7000
7001 Let's confirm that it works:
7002
7003 @example
7004 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7005 cout << e << endl;
7006  // -> "helloworld"
7007
7008 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7009 cout << e << endl;
7010  // -> 3*"wow"
7011 @end example
7012
7013 @subsection Optional member functions
7014
7015 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7016 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7017 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7018
7019 @cindex @code{calchash()}
7020 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7021 @example
7022 unsigned calchash() const;
7023 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7024 @end example
7025
7026 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7027 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7028 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7029 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7030 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7031 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7032
7033 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7034 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7035 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7036 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7037
7038 @subsection Other member functions
7039
7040 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7041 might want to provide:
7042
7043 @example
7044 bool info(unsigned inf) const;
7045 ex evalf(int level = 0) const;
7046 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7047 ex derivative(const symbol & s) const;
7048 @end example
7049
7050 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7051 previous section) you will probably want to override
7052
7053 @cindex @code{let_op()}
7054 @example
7055 size_t nops() cont;
7056 ex op(size_t i) const;
7057 ex & let_op(size_t i);
7058 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7059 ex map(map_function & f) const;
7060 @end example
7061
7062 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7063 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7064 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7065
7066 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7067 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7068 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7069 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7070 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7071 should become a need.
7072
7073 That's it. May the source be with you!
7074
7075
7076 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7077 @c    node-name, next, previous, up
7078 @chapter A Comparison With Other CAS
7079 @cindex advocacy
7080
7081 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7082 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7083 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7084 disadvantages over these systems.
7085
7086 @menu
7087 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7088 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7089 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7090 @end menu
7091
7092 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7093 @c    node-name, next, previous, up
7094 @section Advantages
7095
7096 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7097 Algebra Systems, like 
7098
7099 @itemize @bullet
7100
7101 @item
7102 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7103 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7104 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7105 in common C++, which is standardized.
7106
7107 @cindex STL
7108 @item
7109 structured data types: you can build up structured data types using
7110 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7111 using unnamed lists of lists of lists.
7112
7113 @item
7114 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7115 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7116 nice for novice programmers, but dangerous.
7117     
7118 @item
7119 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7120 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7121 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7122
7123 @item
7124 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7125 separating interface and implementation.
7126
7127 @item
7128 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7129 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7130 C++-compilers for free, too.
7131     
7132 @item
7133 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7134 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7135 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7136 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7137 fix bugs in a traditional system.
7138
7139 @item
7140 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7141 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7142 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7143 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7144 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7145 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7146 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7147 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7148 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7149 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7150 FTP-site.
7151
7152 @item
7153 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7154 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7155 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7156 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7157 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7158 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7159 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7160 system (i.e. @emph{Yacas}).
7161
7162 @item
7163 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7164 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7165 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7166 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7167 speed with other CAS.
7168
7169 @end itemize
7170
7171
7172 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7173 @c    node-name, next, previous, up
7174 @section Disadvantages
7175
7176 Of course it also has some disadvantages:
7177
7178 @itemize @bullet
7179
7180 @item
7181 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7182 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7183 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7184 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7185 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7186 not planned for the near future).
7187
7188 @item
7189 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7190 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7191 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7192 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7193 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7194 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7195 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7196 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7197 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7198 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7199 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7200 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7201 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7202 yet ANSI compliant, support all needed features.
7203     
7204 @end itemize
7205
7206
7207 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7208 @c    node-name, next, previous, up
7209 @section Why C++?
7210
7211 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7212 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7213 possible), separation between interface and implementation is not
7214 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7215 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7216 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7217 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7218 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7219 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7220 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7221 any other programming language.
7222
7223
7224 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7225 @c    node-name, next, previous, up
7226 @appendix Internal Structures
7227
7228 @menu
7229 * Expressions are reference counted::
7230 * Internal representation of products and sums::
7231 @end menu
7232
7233 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7234 @c    node-name, next, previous, up
7235 @appendixsection Expressions are reference counted
7236
7237 @cindex reference counting
7238 @cindex copy-on-write
7239 @cindex garbage collection
7240 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7241 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7242 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7243 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7244 skip the rest of this passage.
7245
7246 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7247 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7248 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7249 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7250 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7251 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7252 of code:
7253
7254 @example
7255 #include <iostream>
7256 #include <ginac/ginac.h>
7257 using namespace std;
7258 using namespace GiNaC;
7259
7260 int main()
7261 @{
7262     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7263     ex e1, e2;
7264
7265     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7266     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7267     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7268     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7269     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7270 @}
7271 @end example
7272
7273 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7274 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7275 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7276 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7277 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7278 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7279 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7280 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7281 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7282 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7283 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7284 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7285 can be:
7286
7287 @example
7288 @{
7289     symbol x("x"), y("y");
7290
7291     ex e1 = x + 3*y;
7292     ex e2 = pow(e1, 3);
7293     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7294     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7295          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7296          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7297 @}
7298 @end example
7299
7300 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7301 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7302 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7303 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7304 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7305 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7306 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7307 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7308 @code{3*e1^2}.
7309
7310 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7311 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7312 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7313 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7314 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7315 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7316 semantics, we recommend you have a look at the
7317 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7318 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7319 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7320
7321
7322 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7323 @c    node-name, next, previous, up
7324 @appendixsection Internal representation of products and sums
7325
7326 @cindex representation
7327 @cindex @code{add}
7328 @cindex @code{mul}
7329 @cindex @code{power}
7330 Although it should be completely transparent for the user of
7331 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7332 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7333 unexpanded symbolic expression 
7334 @tex
7335 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7336 @end tex
7337 @ifnottex
7338 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7339 @end ifnottex
7340 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7341 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7342 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7343 fashion:
7344
7345 @image{repnaive}
7346
7347 @cindex pair-wise representation
7348 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7349 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7350 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7351 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7352 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7353 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7354 becomes much more flat:
7355
7356 @image{reppair}
7357
7358 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7359 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7360 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7361 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7362 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7363 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7364 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7365 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7366 representation, however, since they are still carrying a trivial
7367 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7368 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7369 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7370 representation for
7371 @tex
7372 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7373 @end tex
7374 @ifnottex
7375 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7376 @end ifnottex
7377
7378 @image{repreal}
7379
7380 @cindex radical
7381 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7382 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7383 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7384 same abstract class: the data representation is the same, only the
7385 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7386 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7387 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7388
7389
7390 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7391 @c    node-name, next, previous, up
7392 @appendix Package Tools
7393
7394 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7395 setting the correct command line options for the compiler and linker
7396 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7397
7398 @menu
7399 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7400 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7401 @end menu
7402
7403
7404 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7405 @c    node-name, next, previous, up
7406 @section @command{ginac-config}
7407 @cindex ginac-config
7408
7409 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7410 the compiler and linker command line options required to compile and
7411 link a program with the GiNaC library.
7412
7413 @command{ginac-config} takes the following flags:
7414
7415 @table @samp
7416 @item --version
7417 Prints out the version of GiNaC installed.
7418 @item --cppflags
7419 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7420 @item --libs
7421 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7422 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7423 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7424 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7425 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7426 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7427 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7428 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7429 @end table
7430
7431 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7432 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7433 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7434 example:
7435
7436 @example
7437 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7438 @end example
7439
7440 This command line might expand to (for example):
7441
7442 @example
7443 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7444   -lginac -lcln -lstdc++
7445 @end example
7446
7447 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7448 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7449
7450
7451 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7452 @c    node-name, next, previous, up
7453 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7454 @cindex AM_PATH_GINAC
7455
7456 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7457 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7458
7459 @example
7460 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
7461 @end example
7462
7463 This macro:
7464
7465 @itemize @bullet
7466
7467 @item
7468 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
7469 either found in the user's path, or from the environment variable
7470 @env{GINACLIB_CONFIG}.
7471
7472 @item
7473 Tests the installed libraries to make sure that their version
7474 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
7475 if not specified)
7476
7477 @item
7478 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
7479 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
7480 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
7481 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
7482 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
7483
7484 @item
7485 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
7486 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
7487
7488 @end itemize
7489
7490 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
7491 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
7492 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
7493 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
7494 aclocal the @samp{-I} option when running it.
7495
7496 @menu
7497 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
7498 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
7499 @end menu
7500
7501
7502 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
7503 @c    node-name, next, previous, up
7504 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
7505
7506 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
7507 the configure script.
7508
7509 Notes:
7510
7511 @itemize @bullet
7512
7513 @item
7514 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
7515 to be found by your system's dynamic linker.
7516   
7517 This is generally done by
7518
7519 @display
7520 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
7521 @end display
7522
7523 or by
7524    
7525 @display
7526 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
7527 @end display
7528
7529 or, as a last resort, 
7530  
7531 @display
7532 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
7533 running configure, for instance:
7534
7535 @example
7536 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
7537 @end example
7538 @end display
7539
7540 @item
7541 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
7542 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
7543 name of the executable
7544
7545 @item
7546 If you move the GiNaC package from its installed location,
7547 you will either need to modify @command{ginac-config} script
7548 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
7549
7550 @end itemize
7551
7552 Advanced note:
7553
7554 @itemize @bullet
7555 @item
7556 configure flags
7557   
7558 @example
7559 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
7560 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
7561 @end example
7562
7563 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
7564 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
7565 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
7566 @end itemize
7567
7568
7569 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
7570 @c    node-name, next, previous, up
7571 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
7572
7573 The following shows how to build a simple package using automake
7574 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
7575
7576 @example
7577 #include <iostream>
7578 #include <ginac/ginac.h>
7579
7580 int main()
7581 @{
7582     GiNaC::symbol x("x");
7583     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
7584     std::cout << "Derivative of " << a 
7585               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
7586     return 0;
7587 @}
7588 @end example
7589
7590 You should first read the introductory portions of the automake
7591 Manual, if you are not already familiar with it.
7592
7593 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
7594 configure script:
7595
7596 @example
7597 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
7598 AC_INIT(simple.cpp)
7599 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
7600
7601 AC_PROG_CXX
7602 AC_PROG_INSTALL
7603 AC_LANG_CPLUSPLUS
7604
7605 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
7606   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
7607   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
7608 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
7609
7610 AC_OUTPUT(Makefile)
7611 @end example
7612
7613 The only command in this which is not standard for automake
7614 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
7615
7616 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
7617 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
7618 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
7619 the error message `need to have GiNaC installed'
7620
7621 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
7622
7623 @example
7624 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
7625 bin_PROGRAMS = simple
7626 simple_SOURCES = simple.cpp
7627 @end example
7628
7629 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
7630 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
7631 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
7632 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
7633 want to specify them on a per-program basis: for instance by
7634 adding the lines:
7635
7636 @example
7637 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
7638 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
7639 @end example
7640
7641 to the @file{Makefile.am}.
7642
7643 To try this example out, create a new directory and add the three
7644 files above to it.
7645
7646 Now execute the following commands:
7647
7648 @example
7649 $ automake --add-missing
7650 $ aclocal
7651 $ autoconf
7652 @end example
7653
7654 You now have a package that can be built in the normal fashion
7655
7656 @example
7657 $ ./configure
7658 $ make
7659 $ make install
7660 @end example
7661
7662
7663 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
7664 @c    node-name, next, previous, up
7665 @appendix Bibliography
7666
7667 @itemize @minus{}
7668
7669 @item
7670 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
7671
7672 @item
7673 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
7674
7675 @item
7676 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
7677
7678 @item
7679 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
7680
7681 @item
7682 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
7683 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
7684
7685 @item
7686 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
7687 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
7688 Academic Press, London
7689
7690 @item
7691 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
7692 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
7693
7694 @item
7695 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
7696 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
7697
7698 @item
7699 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
7700 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
7701
7702 @item
7703 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
7704
7705 @end itemize
7706
7707
7708 @node Concept Index, , Bibliography, Top
7709 @c    node-name, next, previous, up
7710 @unnumbered Concept Index
7711
7712 @printindex cp
7713
7714 @bye