]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
8f10e13b8ed3bf6a80e53c52942974b7c74d7e96
[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) 1999-2007 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 @uref{http://www.ginac.de}
51
52 @page
53 @vskip 0pt plus 1filll
54 Copyright @copyright{} 1999-2007 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
55 @sp 2
56 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
57 this manual provided the copyright notice and this permission notice
58 are preserved on all copies.
59
60 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
61 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
62 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
63 notice identical to this one.
64 @end titlepage
65
66 @page
67 @contents
68
69 @page
70
71
72 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
73 @c    node-name, next, previous, up
74 @top GiNaC
75
76 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
77 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
78
79 @menu
80 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
81 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
82 * Installation::                 How to install the package.
83 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
84 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
85 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
86 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
87 * Internal structures::          Description of some internal structures.
88 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
89 * Bibliography::
90 * Concept index::
91 @end menu
92
93
94 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
95 @c    node-name, next, previous, up
96 @chapter Introduction
97 @cindex history of GiNaC
98
99 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
100 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
101 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
102 learning math and solving particular problems they lack modern
103 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
104 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
105 well established and standardized computer language (C++) by some
106 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
107 that embed symbolic manipulations together with more established areas
108 of computer science (like computation-intense numeric applications,
109 graphical interfaces, etc.) under one roof.
110
111 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
112 still a very active field of research, namely the calculation of higher
113 order corrections to elementary particle interactions.  There,
114 theoretical physicists are interested in matching present day theories
115 against experiments taking place at particle accelerators.  The
116 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
117 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
118 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
119 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
120 are in no way restricted to theoretical physics.
121
122 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
123 already has some background in C++ programming.  However, since a
124 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
125 the development, the actual documentation is inside the sources in the
126 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
127 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
128 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
129 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
130 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
131 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
132 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
133 the near future.
134
135 @section License
136 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
137 language is Copyright @copyright{} 1999-2007 Johannes Gutenberg
138 University Mainz, Germany.
139
140 This program is free software; you can redistribute it and/or
141 modify it under the terms of the GNU General Public License as
142 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
143 License, or (at your option) any later version.
144
145 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
146 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
147 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
148 General Public License for more details.
149
150 You should have received a copy of the GNU General Public License
151 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
152 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
153 MA 02110-1301, USA.
154
155
156 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
157 @c    node-name, next, previous, up
158 @chapter A Tour of GiNaC
159
160 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
161 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
162 leaves many open questions.
163
164 @menu
165 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
166 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
167 @end menu
168
169
170 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
171 @c    node-name, next, previous, up
172 @section How to use it from within C++
173
174 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
175 language does not try to define a language of its own as conventional
176 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
177 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
178 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
179
180 @example
181 #include <iostream>
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace std;
184 using namespace GiNaC;
185
186 int main()
187 @{
188     symbol x("x"), y("y");
189     ex poly;
190
191     for (int i=0; i<3; ++i)
192         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
193
194     cout << poly << endl;
195     return 0;
196 @}
197 @end example
198
199 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
200 and run it like this:
201
202 @example
203 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
204 $ ./hello
205 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
206 @end example
207
208 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
209 package that uses GiNaC.)
210
211 @cindex Hermite polynomial
212 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
213 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
214
215 @example
216 #include <iostream>
217 #include <ginac/ginac.h>
218 using namespace std;
219 using namespace GiNaC;
220
221 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
222 @{
223     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
224     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
225     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
226 @}
227
228 int main()
229 @{
230     symbol z("z");
231
232     for (int i=0; i<6; ++i)
233         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
234
235     return 0;
236 @}
237 @end example
238
239 When run, this will type out
240
241 @example
242 H_0(z) == 1
243 H_1(z) == 2*z
244 H_2(z) == 4*z^2-2
245 H_3(z) == -12*z+8*z^3
246 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
247 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
248 @end example
249
250 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
251 for production purposes.
252
253 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
254 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
255 convenient window into GiNaC's capabilities.
256
257
258 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
259 @c    node-name, next, previous, up
260 @section What it can do for you
261
262 @cindex @command{ginsh}
263 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
264 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
265 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
266 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
267 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
268 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
269 @code{==} compares.
270
271 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
272 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
273 integers:
274
275 @example
276 > x=3^150;
277 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
278 > y=3^149;
279 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
280 > x/y;
281 3
282 > y/x;
283 1/3
284 @end example
285
286 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
287 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
288 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
289 can be expanded:
290
291 @example
292 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
293 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
294 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
295 10-5*3^(3/5)
296 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
297 0.33408977534118624228
298 @end example
299
300 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
301 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
302 arbitrary predefined accuracy:
303
304 @example
305 > evalf(1/7);
306 0.14285714285714285714
307 > Digits=150;
308 150
309 > evalf(1/7);
310 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
311 5714285714285714285714285714285714285
312 @end example
313
314 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
315 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
316 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
317 numeric expressions (as an inexact number):
318
319 @example
320 > a=Pi^2+x;
321 x+Pi^2
322 > evalf(a);
323 9.869604401089358619+x
324 > x=2;
325 2
326 > evalf(a);
327 11.869604401089358619
328 @end example
329
330 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
331 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
332 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
333
334 @example
335 > cos(42*Pi);
336 1
337 > cos(acos(x));
338 x
339 > acos(cos(x));
340 acos(cos(x))
341 @end example
342
343 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
344 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
345
346 Linear equation systems can be solved along with basic linear
347 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
348 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
349 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
350
351 @example
352 > lsolve(a+x*y==z,x);
353 y^(-1)*(z-a);
354 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
355 @{x==19/8,y==-1/40@}
356 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
357 [[1,3],[-3,2]]
358 > determinant(M);
359 11
360 > charpoly(M,lambda);
361 lambda^2-3*lambda+11
362 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
363 [[1,1],[2,-1]]
364 > A+2*M;
365 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
366 > evalm(%);
367 [[3,7],[-4,3]]
368 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
369 > evalm(B^(2^12345));
370 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
371 @end example
372
373 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
374 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
375 polynomials):
376
377 @example
378 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
379 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
380 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
381 4*x*y-y^2+x^2
382 > expand(a*b);
383 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
384 > collect(a+b,x);
385 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
386 > collect(a+b,y);
387 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
388 > normal(a/b);
389 3*y^2+x^2
390 @end example
391
392 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
393 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
394 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
395 order):
396
397 @cindex Zeta function
398 @example
399 > diff(tan(x),x);
400 tan(x)^2+1
401 > series(sin(x),x==0,4);
402 x-1/6*x^3+Order(x^4)
403 > series(1/tan(x),x==0,4);
404 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
405 > series(tgamma(x),x==0,3);
406 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
407 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
408 > evalf(%);
409 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
410 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
411 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
412 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
413 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
414 @end example
415
416 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
417 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
418
419 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
420 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
421
422 @cindex fsolve
423 @example
424 > Digits=50:
425 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
426 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
427 > f=exp(sin(x))-x:
428 > X=fsolve(f,x,-10,10);
429 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
430 > subs(f,x==X);
431 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
432 @end example
433
434 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
435 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
436 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
437 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
438 point values.
439
440 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
441 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
442 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
443 metric system is now easy:
444
445 @example
446 > in=.0254*m;
447 0.0254*m
448 > lb=.45359237*kg;
449 0.45359237*kg
450 > 200*lb/in^2;
451 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
452 @end example
453
454
455 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
456 @c    node-name, next, previous, up
457 @chapter Installation
458
459 @cindex CLN
460 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
461 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
462 installation.
463
464 @menu
465 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
466 * Configuration::                How to configure GiNaC.
467 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
468 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
469 @end menu
470
471
472 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
473 @c    node-name, next, previous, up
474 @section Prerequisites
475
476 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
477 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
478 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
479 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
480 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
481 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
482 required for the configuration, it can be downloaded from
483 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
484 Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The class hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1159 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1160 allows you to specify
1161 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1162 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1163
1164 @cindex @code{possymbol()}
1165 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1166 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1167 @code{x}. This is done by declaying the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1168
1169
1170 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1171 @c    node-name, next, previous, up
1172 @section Numbers
1173 @cindex @code{numeric} (class)
1174
1175 @cindex GMP
1176 @cindex CLN
1177 @cindex rational
1178 @cindex fraction
1179 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1180 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1181 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1182 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1183 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1184 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1185 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1186 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1187 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1188 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1189 several useful things: First, it introduces the complex number field
1190 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1191 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1192 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1193 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1194 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1195 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1196 calculation of some useful constants.
1197
1198 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1199 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1200 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1201 integers, construction from C-float and construction from a string:
1202
1203 @example
1204 #include <iostream>
1205 #include <ginac/ginac.h>
1206 using namespace GiNaC;
1207
1208 int main()
1209 @{
1210     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1211     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1212     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1213     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1214     // Trott's constant in scientific notation:
1215     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1216     
1217     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1218     ...
1219 @end example
1220
1221 @cindex @code{I}
1222 @cindex complex numbers
1223 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1224 name @code{I}:
1225
1226 @example
1227     ...
1228     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1229     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1230 @}
1231 @end example
1232
1233 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1234 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1235 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1236 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1237 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1238 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1239 also.
1240
1241 @cindex @code{Digits}
1242 @cindex accuracy
1243 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1244 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1245 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1246 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1247 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1248 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1249 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1250 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1251 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1252 digits:
1253
1254 @example
1255 #include <iostream>
1256 #include <ginac/ginac.h>
1257 using namespace std;
1258 using namespace GiNaC;
1259
1260 void foo()
1261 @{
1262     numeric three(3.0), one(1.0);
1263     numeric x = one/three;
1264
1265     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1266     cout << x << endl;
1267     cout << Pi.evalf() << endl;
1268 @}
1269
1270 int main()
1271 @{
1272     foo();
1273     Digits = 60;
1274     foo();
1275     return 0;
1276 @}
1277 @end example
1278
1279 The above example prints the following output to screen:
1280
1281 @example
1282 in 17 digits:
1283 0.33333333333333333334
1284 3.1415926535897932385
1285 in 60 digits:
1286 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1287 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1288 @end example
1289
1290 @cindex rounding
1291 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1292 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1293 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1294 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1295 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1296 architectures with different word size, the above output might even
1297 differ with regard to actually computed digits.
1298
1299 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1300 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1301 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1302
1303 @subsection Tests on numbers
1304
1305 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1306 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1307 kind of information from them like asking whether that number is
1308 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1309 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1310 certain CLN functions.)
1311
1312 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1313 some multiple of its denominator and test what comes out:
1314
1315 @example
1316 #include <iostream>
1317 #include <ginac/ginac.h>
1318 using namespace std;
1319 using namespace GiNaC;
1320
1321 // some very important constants:
1322 const numeric twentyone(21);
1323 const numeric ten(10);
1324 const numeric five(5);
1325
1326 int main()
1327 @{
1328     numeric answer = twentyone;
1329
1330     answer /= five;
1331     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1332     answer *= ten;
1333     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1334 @}
1335 @end example
1336
1337 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1338 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1339 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1340 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1341 the result is automatically converted to a pure integer again.
1342 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1343 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1344 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1345 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1346 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1347 can be applied is listed in the following table.
1348
1349 @cartouche
1350 @multitable @columnfractions .30 .70
1351 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1352 @item @code{.is_zero()}
1353 @tab @dots{}equal to zero
1354 @item @code{.is_positive()}
1355 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1356 @item @code{.is_integer()}
1357 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1358 @item @code{.is_pos_integer()}
1359 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1360 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1361 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1362 @item @code{.is_even()}
1363 @tab @dots{}an even integer
1364 @item @code{.is_odd()}
1365 @tab @dots{}an odd integer
1366 @item @code{.is_prime()}
1367 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1368 @item @code{.is_rational()}
1369 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1370 @item @code{.is_real()}
1371 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1372 @item @code{.is_cinteger()}
1373 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1374 @item @code{.is_crational()}
1375 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1376 @end multitable
1377 @end cartouche
1378
1379 @subsection Numeric functions
1380
1381 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1382 evaluated immediately:
1383
1384 @cartouche
1385 @multitable @columnfractions .30 .70
1386 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1387 @item @code{inverse(z)}
1388 @tab returns @math{1/z}
1389 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1390 @item @code{pow(a, b)}
1391 @tab exponentiation @math{a^b}
1392 @item @code{abs(z)}
1393 @tab absolute value
1394 @item @code{real(z)}
1395 @tab real part
1396 @cindex @code{real()}
1397 @item @code{imag(z)}
1398 @tab imaginary part
1399 @cindex @code{imag()}
1400 @item @code{csgn(z)}
1401 @tab complex sign (returns an @code{int})
1402 @item @code{step(x)}
1403 @tab step function (returns an @code{numeric})
1404 @item @code{numer(z)}
1405 @tab numerator of rational or complex rational number
1406 @item @code{denom(z)}
1407 @tab denominator of rational or complex rational number
1408 @item @code{sqrt(z)}
1409 @tab square root
1410 @item @code{isqrt(n)}
1411 @tab integer square root
1412 @cindex @code{isqrt()}
1413 @item @code{sin(z)}
1414 @tab sine
1415 @item @code{cos(z)}
1416 @tab cosine
1417 @item @code{tan(z)}
1418 @tab tangent
1419 @item @code{asin(z)}
1420 @tab inverse sine
1421 @item @code{acos(z)}
1422 @tab inverse cosine
1423 @item @code{atan(z)}
1424 @tab inverse tangent
1425 @item @code{atan(y, x)}
1426 @tab inverse tangent with two arguments
1427 @item @code{sinh(z)}
1428 @tab hyperbolic sine
1429 @item @code{cosh(z)}
1430 @tab hyperbolic cosine
1431 @item @code{tanh(z)}
1432 @tab hyperbolic tangent
1433 @item @code{asinh(z)}
1434 @tab inverse hyperbolic sine
1435 @item @code{acosh(z)}
1436 @tab inverse hyperbolic cosine
1437 @item @code{atanh(z)}
1438 @tab inverse hyperbolic tangent
1439 @item @code{exp(z)}
1440 @tab exponential function
1441 @item @code{log(z)}
1442 @tab natural logarithm
1443 @item @code{Li2(z)}
1444 @tab dilogarithm
1445 @item @code{zeta(z)}
1446 @tab Riemann's zeta function
1447 @item @code{tgamma(z)}
1448 @tab gamma function
1449 @item @code{lgamma(z)}
1450 @tab logarithm of gamma function
1451 @item @code{psi(z)}
1452 @tab psi (digamma) function
1453 @item @code{psi(n, z)}
1454 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1455 @item @code{factorial(n)}
1456 @tab factorial function @math{n!}
1457 @item @code{doublefactorial(n)}
1458 @tab double factorial function @math{n!!}
1459 @cindex @code{doublefactorial()}
1460 @item @code{binomial(n, k)}
1461 @tab binomial coefficients
1462 @item @code{bernoulli(n)}
1463 @tab Bernoulli numbers
1464 @cindex @code{bernoulli()}
1465 @item @code{fibonacci(n)}
1466 @tab Fibonacci numbers
1467 @cindex @code{fibonacci()}
1468 @item @code{mod(a, b)}
1469 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1470 @cindex @code{mod()}
1471 @item @code{smod(a, b)}
1472 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1473 @cindex @code{smod()}
1474 @item @code{irem(a, b)}
1475 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1476 @cindex @code{irem()}
1477 @item @code{irem(a, b, q)}
1478 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1479 @item @code{iquo(a, b)}
1480 @tab integer quotient
1481 @cindex @code{iquo()}
1482 @item @code{iquo(a, b, r)}
1483 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1484 @item @code{gcd(a, b)}
1485 @tab greatest common divisor
1486 @item @code{lcm(a, b)}
1487 @tab least common multiple
1488 @end multitable
1489 @end cartouche
1490
1491 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1492 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1493 as polynomial algorithms.
1494
1495 @subsection Converting numbers
1496
1497 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1498 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1499 class provides a couple of methods for this purpose:
1500
1501 @cindex @code{to_int()}
1502 @cindex @code{to_long()}
1503 @cindex @code{to_double()}
1504 @cindex @code{to_cl_N()}
1505 @example
1506 int numeric::to_int() const;
1507 long numeric::to_long() const;
1508 double numeric::to_double() const;
1509 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1510 @end example
1511
1512 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1513 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1514 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1515 rational number will return a floating-point approximation. Both
1516 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1517 part of complex numbers.
1518
1519
1520 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1521 @c    node-name, next, previous, up
1522 @section Constants
1523 @cindex @code{constant} (class)
1524
1525 @cindex @code{Pi}
1526 @cindex @code{Catalan}
1527 @cindex @code{Euler}
1528 @cindex @code{evalf()}
1529 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1530 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1531
1532 The predefined known constants are:
1533
1534 @cartouche
1535 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1536 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1537 @item @code{Pi}
1538 @tab Archimedes' constant
1539 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1540 @item @code{Catalan}
1541 @tab Catalan's constant
1542 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1543 @item @code{Euler}
1544 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1545 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1546 @end multitable
1547 @end cartouche
1548
1549
1550 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1551 @c    node-name, next, previous, up
1552 @section Sums, products and powers
1553 @cindex polynomial
1554 @cindex @code{add}
1555 @cindex @code{mul}
1556 @cindex @code{power}
1557
1558 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1559 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1560 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1561 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1562 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1563 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1564 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1565 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1566
1567 @example
1568     ...
1569     symbol a("a"), b("b");
1570     ex MyTerm = 1+a*b;
1571     ...
1572 @end example
1573
1574 @cindex @code{pow()}
1575 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1576 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1577 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1578 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1579 have several counterintuitive and undesired effects:
1580
1581 @itemize @bullet
1582 @item
1583 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1584 @item
1585 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1586 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1587 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1588 @item
1589 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1590 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1591 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1592 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1593 has requested @code{2^3}.)
1594 @end itemize
1595
1596 @cindex @command{ginsh}
1597 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1598 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1599 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1600 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1601 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1602 not exist at all in C++).
1603
1604 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1605 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1606 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1607 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1608 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1609 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1610 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1611 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1612 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1613 @code{x} negative.
1614
1615 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1616 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1617 and safe simplifications are carried out like transforming
1618 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1619
1620
1621 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1622 @c    node-name, next, previous, up
1623 @section Lists of expressions
1624 @cindex @code{lst} (class)
1625 @cindex lists
1626 @cindex @code{nops()}
1627 @cindex @code{op()}
1628 @cindex @code{append()}
1629 @cindex @code{prepend()}
1630 @cindex @code{remove_first()}
1631 @cindex @code{remove_last()}
1632 @cindex @code{remove_all()}
1633
1634 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1635 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1636 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1637 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1638 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1639
1640 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1641 expressions:
1642
1643 @example
1644 @{
1645     symbol x("x"), y("y");
1646     lst l;
1647     l = x, 2, y, x+y;
1648     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1649     // in that order
1650     ...
1651 @end example
1652
1653 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1654 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1655
1656 @example
1657     ...
1658     // This produces the same list 'l' as above:
1659     // lst l(x, 2, y, x+y);
1660     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1661     ...
1662 @end example
1663
1664 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1665 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1666 individual elements:
1667
1668 @example
1669     ...
1670     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1671     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1672     ...
1673 @end example
1674
1675 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1676 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1677 sequential access to the elements of a list is possible with the
1678 iterator types provided by the @code{lst} class:
1679
1680 @example
1681 typedef ... lst::const_iterator;
1682 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1683 lst::const_iterator lst::begin() const;
1684 lst::const_iterator lst::end() const;
1685 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1686 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1687 @end example
1688
1689 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1690
1691 @example
1692     ...
1693     // O(N)
1694     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1695         cout << *i << endl;
1696     ...
1697 @end example
1698
1699 which is one order faster than
1700
1701 @example
1702     ...
1703     // O(N^2)
1704     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1705         cout << l.op(i) << endl;
1706     ...
1707 @end example
1708
1709 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1710 the C++ standard library:
1711
1712 @example
1713     ...
1714     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1715     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1716
1717     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1718     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1719     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1720     ...
1721 @end example
1722
1723 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1724 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1725
1726 @example
1727     ...
1728     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1729     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1730     ...
1731 @end example
1732
1733 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1734 and @code{prepend()} methods:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1739     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1740     ...
1741 @end example
1742
1743 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1744 and @code{remove_last()}:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1749     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     l.remove_all();     // l is now empty
1758     ...
1759 @end example
1760
1761 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1762
1763 @example
1764     ...
1765     lst l1, l2;
1766     l1 = x, 2, y, x+y;
1767     l2 = 2, x+y, x, y;
1768     l1.sort();
1769     l2.sort();
1770     // l1 and l2 are now equal
1771     ...
1772 @end example
1773
1774 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1775 elements with @code{unique()}:
1776
1777 @example
1778     ...
1779     lst l3;
1780     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1781     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1782 @}
1783 @end example
1784
1785
1786 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1787 @c    node-name, next, previous, up
1788 @section Mathematical functions
1789 @cindex @code{function} (class)
1790 @cindex trigonometric function
1791 @cindex hyperbolic function
1792
1793 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1794 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1795 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1796
1797 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1798 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1799 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1800 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1801 the next example, showing how a function returns itself twice and
1802 finally an expression that may be really useful:
1803
1804 @cindex Gamma function
1805 @cindex @code{subs()}
1806 @example
1807     ...
1808     symbol x("x"), y("y");    
1809     ex foo = x+y/2;
1810     cout << tgamma(foo) << endl;
1811      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1812     ex bar = foo.subs(y==1);
1813     cout << tgamma(bar) << endl;
1814      // -> tgamma(x+1/2)
1815     ex foobar = bar.subs(x==7);
1816     cout << tgamma(foobar) << endl;
1817      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1818     ...
1819 @end example
1820
1821 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1822 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1823 this.
1824
1825 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1826 functions, where the argument list is templated.  This means that
1827 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1828 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1829 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1830 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1831 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1832 point number of class @code{numeric} you should call
1833 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1834 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1835 wrapped inside an @code{ex}.
1836
1837
1838 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1839 @c    node-name, next, previous, up
1840 @section Relations
1841 @cindex @code{relational} (class)
1842
1843 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1844 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1845 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1846 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1847 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1848 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1849
1850 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1851 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1852 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1853 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1854 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1855 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1856 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1857 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1858 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1859 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1860 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1861 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1862 @code{expand()} must be called explicitly.
1863
1864 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1865 @c    node-name, next, previous, up
1866 @section Integrals
1867 @cindex @code{integral} (class)
1868
1869 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1870 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1871 1, you would write this as
1872 @example
1873 integral(x, 0, 1, x*x)
1874 @end example
1875 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1876 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1877 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1878 can be evaluated symbolically by calling the
1879 @example
1880 .eval_integ()
1881 @end example
1882 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1883 @example
1884 .evalf()
1885 @end example
1886 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1887 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1888 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1889 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1890 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1891 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1892 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1893 integrals is determined by the static member variable
1894 @example
1895 ex integral::relative_integration_error
1896 @end example
1897 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1898 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1899 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1900 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1901 variable
1902 @example
1903 int integral::max_integration_level
1904 @end example
1905 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1906 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1907 evaluation, is also available as
1908 @example
1909 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1910 const ex & error)
1911 @end example
1912 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1913 last parameter of the function is optional and defaults to the
1914 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1915 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1916 a lookup table is used.
1917
1918 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1919 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1920 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1921 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1922 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1923 with respect to the integration variable.
1924
1925 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1926 @c    node-name, next, previous, up
1927 @section Matrices
1928 @cindex @code{matrix} (class)
1929
1930 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1931 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1932 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1933 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1934
1935 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1936 elements. The constructor
1937
1938 @example
1939 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1940 @end example
1941
1942 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1943 set to zero.
1944
1945 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1946 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1947 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1948
1949 @example
1950 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1951 @end example
1952
1953 The function
1954
1955 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1956 @example
1957 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1958 @end example
1959
1960 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1961
1962 There is also a set of functions for creating some special types of
1963 matrices:
1964
1965 @cindex @code{diag_matrix()}
1966 @cindex @code{unit_matrix()}
1967 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1968 @example
1969 ex diag_matrix(const lst & l);
1970 ex unit_matrix(unsigned x);
1971 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1972 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1973 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1974                    const string & tex_base_name);
1975 @end example
1976
1977 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1978 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1979 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1980 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1981 and the position of each element in the matrix.
1982
1983 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1984 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1985 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1986 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1987 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1988 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1989
1990 @cindex @code{sub_matrix()}
1991 @cindex @code{reduced_matrix()}
1992 @example
1993 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1994 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1995 @end example
1996
1997 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1998 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1999 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2000 that specify which row and column to remove:
2001
2002 @example
2003 @{
2004     matrix m(3,3);
2005     m = 11, 12, 13,
2006         21, 22, 23,
2007         31, 32, 33;
2008     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2009     // -> [[11,13],[31,33]]
2010     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2011     // -> [[22,23],[32,33]]
2012 @}
2013 @end example
2014
2015 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2016 operator:
2017
2018 @example
2019 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2020 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2021 @end example
2022
2023 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2024 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2025 @samp{[]} is not available.
2026
2027 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2028
2029 @example
2030 @{
2031     symbol a("a"), b("b");
2032
2033     matrix M(2, 2);
2034     M = a, 0,
2035         0, b;
2036     cout << M << endl;
2037      // -> [[a,0],[0,b]]
2038
2039     matrix M2(2, 2);
2040     M2(0, 0) = a;
2041     M2(1, 1) = b;
2042     cout << M2 << endl;
2043      // -> [[a,0],[0,b]]
2044
2045     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2049      // -> [[a,0],[0,b]]
2050
2051     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2052      // -> [[a,0],[0,b]]
2053
2054     cout << unit_matrix(3) << endl;
2055      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2056
2057     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2058      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2059 @}
2060 @end example
2061
2062 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2063 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2064 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2065 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2066 expression is zero or a zero matrix.
2067
2068 @cindex @code{transpose()}
2069 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2070 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2071
2072 @example
2073 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2074 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2075 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2076 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2077 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2078 matrix matrix::transpose() const;
2079 @end example
2080
2081 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2082 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2083 and @math{C}:
2084
2085 @example
2086 @{
2087     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2088     A =  1, 2,
2089          3, 4;
2090     B = -1, 0,
2091          2, 1;
2092     C =  8, 4,
2093          2, 1;
2094
2095     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2096     cout << result << endl;
2097      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2098     ...
2099 @}
2100 @end example
2101
2102 @cindex @code{evalm()}
2103 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2104 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2105 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2106 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2107 method
2108
2109 @example
2110 ex ex::evalm() const;
2111 @end example
2112
2113 to obtain the result:
2114
2115 @example
2116 @{
2117     ...
2118     ex e = A*B - 2*C;
2119     cout << e << endl;
2120      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2121     cout << e.evalm() << endl;
2122      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2123     ...
2124 @}
2125 @end example
2126
2127 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2128 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2129 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2130 dealing with non-commutative expressions.
2131
2132 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2133 to perform the arithmetic:
2134
2135 @example
2136 @{
2137     ...
2138     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2139     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2140     cout << e << endl;
2141      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2142     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2143      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2144 @}
2145 @end example
2146
2147 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2148 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2149 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2150 more information about using matrices with indices, and about indices in
2151 general.
2152
2153 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2154 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2155
2156 @cindex @code{determinant()}
2157 @cindex @code{trace()}
2158 @cindex @code{charpoly()}
2159 @cindex @code{rank()}
2160 @example
2161 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2162 ex matrix::trace() const;
2163 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2164 unsigned matrix::rank() const;
2165 @end example
2166
2167 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2168 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2169 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2170 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2171 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2172 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2173 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2174 quickly.
2175
2176 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2177 @cindex @code{solve()}
2178 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2179 method and linear systems may be solved with:
2180
2181 @example
2182 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2183                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2184 @end example
2185
2186 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2187 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2188 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2189 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2190 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2191 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2192 overdetermined, an exception is thrown.
2193
2194
2195 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2196 @c    node-name, next, previous, up
2197 @section Indexed objects
2198
2199 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2200 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2201 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2202 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2203
2204 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2205 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2206 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2207 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2208
2209 @cindex @code{idx} (class)
2210 @cindex @code{indexed} (class)
2211 @subsection Indexed quantities and their indices
2212
2213 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2214 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2215
2216 @itemize @bullet
2217
2218 @cindex contravariant
2219 @cindex covariant
2220 @cindex variance
2221 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2222 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2223 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2224 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2225 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2226 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2227
2228 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2229 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2230 one or more indices.
2231
2232 @end itemize
2233
2234 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2235 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2236 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2237 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2238 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2239 not visible in the output.
2240
2241 A simple example shall illustrate the concepts:
2242
2243 @example
2244 #include <iostream>
2245 #include <ginac/ginac.h>
2246 using namespace std;
2247 using namespace GiNaC;
2248
2249 int main()
2250 @{
2251     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2252     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2253
2254     symbol A("A");
2255     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2256      // -> A.i.j
2257     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2258      // -> A.i[3].j[3]
2259     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2260     ...
2261 @end example
2262
2263 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2264 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2265 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2266 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2267 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2268 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2269 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2270 @code{j}.
2271
2272 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2273 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2274 as shown above.
2275
2276 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2277 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2278 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2279 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2280 correct and will raise an exception:
2281
2282 @example
2283 symbol i("i"), j("j");
2284 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2285 @end example
2286
2287 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2288 be numeric, and index dimensions symbolic:
2289
2290 @example
2291     ...
2292     symbol B("B"), dim("dim");
2293     cout << 4 * indexed(A, i)
2294           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2295      // -> B.j.2.i+4*A.i
2296     ...
2297 @end example
2298
2299 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2300 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2301 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2302 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2303 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2304
2305 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2306 arbitrary expressions:
2307
2308 @example
2309     ...
2310     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2311      // -> (B+A).(1+2*i)
2312     ...
2313 @end example
2314
2315 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2316 get an error message from this but you will probably not be able to do
2317 anything useful with it.
2318
2319 @cindex @code{get_value()}
2320 @cindex @code{get_dimension()}
2321 The methods
2322
2323 @example
2324 ex idx::get_value();
2325 ex idx::get_dimension();
2326 @end example
2327
2328 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2329 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2330 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2331 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2332
2333 There are also the methods
2334
2335 @example
2336 bool idx::is_numeric();
2337 bool idx::is_symbolic();
2338 bool idx::is_dim_numeric();
2339 bool idx::is_dim_symbolic();
2340 @end example
2341
2342 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2343 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2344 about expressions}) returns information about the index value.
2345
2346 @cindex @code{varidx} (class)
2347 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2348
2349 @example
2350     ...
2351     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2352     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2353     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2354
2355     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2356      // -> A~mu~nu
2357     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2358      // -> A.mu~nu
2359     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2360      // -> A.mu~nu
2361     ...
2362 @end example
2363
2364 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2365 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2366 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2367 constructor. The two methods
2368
2369 @example
2370 bool varidx::is_covariant();
2371 bool varidx::is_contravariant();
2372 @end example
2373
2374 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2375 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2376 method
2377
2378 @example
2379 ex varidx::toggle_variance();
2380 @end example
2381
2382 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2383 variance. By using it you only have to define the index once.
2384
2385 @cindex @code{spinidx} (class)
2386 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2387 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2388
2389 @example
2390     ...
2391     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2392     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2393                                             // contravariant, undotted
2394     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2395     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2396     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2397
2398     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2399      // -> K~C~D
2400     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2401      // -> K.C~*D
2402     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2403      // -> K.*D~D
2404     ...
2405 @end example
2406
2407 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2408 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2409 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2410 methods
2411
2412 @example
2413 bool spinidx::is_dotted();
2414 bool spinidx::is_undotted();
2415 @end example
2416
2417 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2418 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2419 Finally, the two methods
2420
2421 @example
2422 ex spinidx::toggle_dot();
2423 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2424 @end example
2425
2426 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2427 and the same or opposite variance.
2428
2429 @subsection Substituting indices
2430
2431 @cindex @code{subs()}
2432 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2433 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2434 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2435 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2436
2437 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2438 by another index or expression:
2439
2440 @example
2441     ...
2442     ex e = indexed(A, mu_co);
2443     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2444      // -> A.mu becomes A~nu
2445     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2446      // -> A.mu becomes A~0
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.0
2449     ...
2450 @end example
2451
2452 The third example shows that trying to replace an index with something that
2453 is not an index will substitute the index value instead.
2454
2455 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2456 another expression:
2457
2458 @example
2459     ...
2460     ex e = indexed(A, mu_co);
2461     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2462      // -> A.mu becomes A.nu
2463     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2464      // -> A.mu becomes A.0
2465     ...
2466 @end example
2467
2468 As you see, with the second method only the value of the index will get
2469 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2470 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2471 whole index by another one with the new dimension.
2472
2473 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2474 expected:
2475
2476 @example
2477     ...
2478     ex e = indexed(A, mu_co);
2479     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2480      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2481     ...
2482 @end example
2483
2484 @subsection Symmetries
2485 @cindex @code{symmetry} (class)
2486 @cindex @code{sy_none()}
2487 @cindex @code{sy_symm()}
2488 @cindex @code{sy_anti()}
2489 @cindex @code{sy_cycl()}
2490
2491 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2492 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2493 that is constructed with the helper functions
2494
2495 @example
2496 symmetry sy_none(...);
2497 symmetry sy_symm(...);
2498 symmetry sy_anti(...);
2499 symmetry sy_cycl(...);
2500 @end example
2501
2502 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2503 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2504 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2505 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2506 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2507 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2508 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2509 all indices.
2510
2511 Here are some examples of symmetry definitions:
2512
2513 @example
2514     ...
2515     // No symmetry:
2516     e = indexed(A, i, j);
2517     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2518     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2519
2520     // Symmetric in all three indices:
2521     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2522     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2523     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2524                                                // different canonical order
2525
2526     // Symmetric in the first two indices only:
2527     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2531     // be contiguous):
2532     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2533     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2534
2535     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2536     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2537     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2538     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2539
2540     // Cyclic symmetry in all three indices:
2541     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2542     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2543
2544     // The following examples are invalid constructions that will throw
2545     // an exception at run time.
2546
2547     // An index may not appear multiple times:
2548     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2549     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2550
2551     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2552     // same number of indices:
2553     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2554
2555     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2556     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2557     ...
2558 @end example
2559
2560 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2561 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2562 full symmetry in the first six indices you would write
2563 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2564
2565 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2566 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2567
2568 @example
2569     ...
2570     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2571           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2572      // -> 2*A.j.i
2573     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2574           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2575      // -> 0
2576     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2577           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2578      // -> 0
2579     ...
2580 @end example
2581
2582 @cindex @code{get_free_indices()}
2583 @cindex dummy index
2584 @subsection Dummy indices
2585
2586 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2587 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2588 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2589 dummy nor free indices.
2590
2591 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2592 class and their value must be the same single symbol (an index like
2593 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2594 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2595 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2596
2597 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2598 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2599 of a sum are consistent:
2600
2601 @example
2602 @{
2603     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2604
2605     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2606     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2607
2608     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (.i,.k)
2611      // 'j' and 'l' are dummy indices
2612
2613     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2614     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2615
2616     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2617       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2618     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2619      // -> (~mu,~rho)
2620      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2621
2622     e = indexed(A, mu, mu);
2623     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2624      // -> (~mu)
2625      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2626      // variance
2627
2628     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2629     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2630      // this will throw an exception:
2631      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2632 @}
2633 @end example
2634
2635 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2636 A dummy index summation like 
2637 @tex
2638 $ a_i b^i$
2639 @end tex
2640 @ifnottex
2641 a.i b~i
2642 @end ifnottex
2643 can be expanded for indices with numeric
2644 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2645 @tex
2646 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2647 @end tex
2648 @ifnottex
2649 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2650 @end ifnottex
2651 This is performed by the function
2652
2653 @example
2654     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2655 @end example
2656
2657 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2658 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2659 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2660 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2661 @tex
2662 $ a_i b^i$
2663 @end tex
2664 @ifnottex
2665 a.i b~i
2666 @end ifnottex
2667 will be expanded to
2668 @tex
2669 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2670 @end tex
2671 @ifnottex
2672 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2673 @end ifnottex
2674
2675
2676 @cindex @code{simplify_indexed()}
2677 @subsection Simplifying indexed expressions
2678
2679 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2680 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2681 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2682 there is the method
2683
2684 @example
2685 ex ex::simplify_indexed();
2686 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2687 @end example
2688
2689 that performs some more expensive operations:
2690
2691 @itemize
2692 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2693   @code{get_free_indices()} does
2694 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2695   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2696 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2697   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2698   next section)
2699 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2700   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2701 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2702   of two tensors with a user-defined value
2703 @end itemize
2704
2705 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2706 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2707 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2708
2709 @example
2710 @{
2711     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2712     idx i(i_sym, 3);
2713
2714     scalar_products sp;
2715     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2716     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2717     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2718
2719     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2720     cout << e << endl;
2721      // -> (B+A).i*(A+C).i
2722
2723     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2724          << endl;
2725      // -> 4+C.i*B.i
2726 @}
2727 @end example
2728
2729 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2730 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2731 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2732 taken, and the expression to replace it with.
2733
2734 @cindex @code{expand()}
2735 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2736 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2737 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2738
2739 @cindex @code{tensor} (class)
2740 @subsection Predefined tensors
2741
2742 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2743 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2744 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2745 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2746 indices are specified).
2747
2748 @cindex @code{delta_tensor()}
2749 @subsubsection Delta tensor
2750
2751 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2752 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2753 @code{delta_tensor()}:
2754
2755 @example
2756 @{
2757     symbol A("A"), B("B");
2758
2759     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2760         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2761
2762     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2763          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2764     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2765      // -> B.i.j*A.i.j
2766
2767     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2768      // -> 3
2769 @}
2770 @end example
2771
2772 @cindex @code{metric_tensor()}
2773 @subsubsection General metric tensor
2774
2775 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2776 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2777 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2778 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2779
2780 @example
2781 @{
2782     symbol A("A");
2783
2784     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2785
2786     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2787     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2788      // -> A~mu~rho
2789
2790     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2791     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2792      // -> g~mu~rho
2793
2794     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2795       * metric_tensor(nu, rho);
2796     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2797      // -> delta.mu~rho
2798
2799     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2800       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2801         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2802     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2803      // -> 4+A.rho~rho
2804 @}
2805 @end example
2806
2807 @cindex @code{lorentz_g()}
2808 @subsubsection Minkowski metric tensor
2809
2810 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2811 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2812 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2813 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2814 @samp{eta}):
2815
2816 @example
2817 @{
2818     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2819
2820     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2821       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2822     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2823      // -> 1
2824
2825     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2826       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2827     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2828      // -> -1
2829 @}
2830 @end example
2831
2832 @cindex @code{spinor_metric()}
2833 @subsubsection Spinor metric tensor
2834
2835 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2836 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2837 It is output as @samp{eps}:
2838
2839 @example
2840 @{
2841     symbol psi("psi");
2842
2843     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2844     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2845
2846     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2847     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2848      // -> psi~A
2849
2850     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> -psi~B
2853
2854     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2855     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2856      // -> -psi.A
2857
2858     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2859     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2860      // -> psi.B
2861
2862     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2863     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2864      // -> 2
2865
2866     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2867     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2868      // -> -delta.A~C
2869 @}
2870 @end example
2871
2872 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2873
2874 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2875 @cindex @code{lorentz_eps()}
2876 @subsubsection Epsilon tensor
2877
2878 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2879 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2880 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2881 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2882 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2883 @samp{eps}.
2884
2885 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2886 dimensions:
2887
2888 @example
2889 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2890 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2891 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2892                bool pos_sig = false);
2893 @end example
2894
2895 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2896 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2897 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2898 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2899 tensor):
2900
2901 @example
2902 @{
2903     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2904            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2905     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2906         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2907     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2908      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2909
2910     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2911     symbol A("A"), B("B");
2912     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2913     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2914      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2915     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2916     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2917      // -> 0
2918 @}
2919 @end example
2920
2921 @subsection Linear algebra
2922
2923 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2924 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2925 and scalar products):
2926
2927 @example
2928 @{
2929     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2930     symbol x("x"), y("y");
2931
2932     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2933     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2934     A = 1, 2,
2935         3, 4;
2936     X = x, y;
2937
2938     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2939      // -> 5
2940
2941     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2942     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2943      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2944
2945     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2946     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2947      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2948 @}
2949 @end example
2950
2951 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2952 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2953 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2954
2955 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2956 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2957 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2958 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2959
2960 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2961 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2962 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2963 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2964 of the metric tensor.
2965
2966
2967 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2968 @c    node-name, next, previous, up
2969 @section Non-commutative objects
2970
2971 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2972 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2973 physics:
2974
2975 @itemize
2976 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2977 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2978 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2979 @end itemize
2980
2981 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2982 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2983 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2984 @ref{Matrices}.
2985
2986 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2987 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2988 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2989 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2990 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2991 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2992 by their class. Consider this example:
2993
2994 @example
2995     ...
2996     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2997     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2998     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2999     cout << e << endl;
3000      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3001     ...
3002 @end example
3003
3004 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3005 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3006 together while preserving the order of factors within each class (because
3007 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3008 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3009 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3010 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3011
3012 @cindex @code{ncmul} (class)
3013 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3014 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3015 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3016 though.
3017
3018 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3019 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3020 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3021 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3022 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3023 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3024 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3025 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3026
3027 @cindex @code{return_type()}
3028 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3029 Information about the commutativity of an object or expression can be
3030 obtained with the two member functions
3031
3032 @example
3033 unsigned ex::return_type() const;
3034 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3035 @end example
3036
3037 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3038 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3039 expressions in GiNaC:
3040
3041 @itemize
3042 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3043   classes are of this kind.
3044 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3045   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3046   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3047   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3048   class.
3049 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3050   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3051   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3052   @code{noncommutative_composite} expressions.
3053 @end itemize
3054
3055 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3056 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3057 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3058 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3059
3060 Here are a couple of examples:
3061
3062 @cartouche
3063 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3064 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3065 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3066 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3067 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3068 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3069 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3070 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3071 @end multitable
3072 @end cartouche
3073
3074 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3075 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3076 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3077 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3078 for color objects.
3079
3080 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3081 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3082 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3083 non-commutative expressions).
3084
3085
3086 @cindex @code{clifford} (class)
3087 @subsection Clifford algebra
3088
3089
3090 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3091 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3092 mathematical). 
3093
3094 @cindex @code{dirac_gamma()}
3095 @subsubsection Dirac gamma matrices
3096 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3097 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3098 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3099 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3100 constructed by the function
3101
3102 @example
3103 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3104 @end example
3105
3106 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3107 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3108 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3109 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3110 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3111 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3112
3113 @cindex @code{dirac_ONE()}
3114 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3115
3116 @example
3117 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3118 @end example
3119
3120 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3121 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3122 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3123 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3124 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3125
3126 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3127 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3128 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3129 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3130
3131 @example
3132 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3133 @end example
3134
3135 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3136 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3137 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3138 objects, constructed by
3139
3140 @example
3141 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3142 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3143 @end example
3144
3145 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3146 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3147
3148 @cindex @code{dirac_slash()}
3149 Finally, the function
3150
3151 @example
3152 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3153 @end example
3154
3155 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3156 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3157 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3158 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3159
3160 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3161 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3162 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3163
3164 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3165 for example
3166
3167 @example
3168 @{
3169     ...
3170     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3171     varidx mu(symbol("mu"), D);
3172     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3173          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3174     cout << e << endl;
3175      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3176     e = e.simplify_indexed();
3177     cout << e << endl;
3178      // -> -D*a\+2*a\
3179     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3180      // -> -2*a\
3181     ...
3182 @}
3183 @end example
3184
3185 @cindex @code{dirac_trace()}
3186 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3187 you use one of the functions
3188
3189 @example
3190 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3191                const ex & trONE = 4);
3192 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3193 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3194 @end example
3195
3196 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3197 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3198 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3199 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3200 element, which defaults to 4.
3201
3202 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3203 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3204 functional is not cyclic in
3205 @tex $D \ne 4$
3206 @end tex
3207 dimensions when acting on
3208 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3209 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3210 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3211
3212 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3213 @tex $D \ne 4$
3214 @end tex
3215 dimensions:
3216
3217 @example
3218 @{
3219     // 4 dimensions
3220     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3221     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3222            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3223     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3224      // -> -8*eta~rho~nu
3225 @}
3226 ...
3227 @{
3228     // D dimensions
3229     symbol D("D");
3230     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3231     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3232            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3233     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3234      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3235 @}
3236 @end example
3237
3238 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3239 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3240 QED:
3241
3242 @example
3243 @{
3244     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3245     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3246
3247     scalar_products sp;
3248     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3249     sp.add(l, q, ldotq);
3250
3251     ex e = dirac_gamma(mu) *
3252            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3253            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3254            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3255     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3256     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3257     cout << e << endl;
3258      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3259 @}
3260 @end example
3261
3262 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3263 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3264 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3265
3266 @example
3267 @{
3268     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3269     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3270     cout << e << endl;
3271      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3272
3273     e = canonicalize_clifford(e);
3274     cout << e << endl;
3275      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3276 @}
3277 @end example
3278
3279 @cindex @code{clifford_unit()}
3280 @subsubsection A generic Clifford algebra
3281
3282 A generic Clifford algebra, i.e. a
3283 @tex
3284 $2^n$
3285 @end tex
3286 dimensional algebra with
3287 generators 
3288 @tex $e_k$
3289 @end tex 
3290 satisfying the identities 
3291 @tex
3292 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3293 @end tex
3294 @ifnottex
3295 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3296 @end ifnottex
3297 for some bilinear form (@code{metric})
3298 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3299 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3300 function 
3301
3302 @example
3303     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3304 @end example
3305
3306 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3307 indexing the generators.
3308 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3309 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3310 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3311 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3312 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3313 @code{op(0)} will be used.
3314 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3315 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3316
3317 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3318 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3319 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3320 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3321 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3322 Clifford number.
3323
3324 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3325 the Clifford algebra units with a call like that
3326
3327 @example
3328     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3329 @end example
3330
3331 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3332 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3333 automatically. 
3334
3335 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3336 ways. For example 
3337
3338 @example
3339 @{
3340     ... 
3341     idx i(symbol("i"), 4);
3342     realsymbol s("s");
3343     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3344     ex e = clifford_unit(i, M);
3345     ex e0 = e.subs(i == 0);
3346     ex e1 = e.subs(i == 1);
3347     ex e2 = e.subs(i == 2);
3348     ex e3 = e.subs(i == 3);
3349     ...
3350 @}
3351 @end example
3352
3353 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3354 @tex
3355 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3356 @end tex
3357 @ifnottex
3358 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3359 @code{pow(e3, 2) = s}.
3360 @end ifnottex
3361
3362 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3363 A similar effect can be achieved from the function
3364
3365 @example
3366     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3367                        unsigned char rl = 0);
3368     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3369 @end example
3370
3371 which converts a list or vector 
3372 @tex
3373 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3374 @end tex
3375 @ifnottex
3376 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3377 @end ifnottex
3378 into the
3379 Clifford number 
3380 @tex
3381 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3382 @end tex
3383 @ifnottex
3384 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3385 @end ifnottex
3386 with @samp{e.k}
3387 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3388 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3389 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3390 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3391
3392 @example
3393 @{
3394     ...
3395     idx i(symbol("i"), 4);
3396     realsymbol s("s");
3397     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3398     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3399     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3400     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3401     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3402   ...
3403 @}
3404 @end example
3405
3406 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3407 There is the inverse function 
3408
3409 @example
3410     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3411 @end example
3412
3413 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3414 @tex
3415 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3416 @end tex
3417 @ifnottex
3418 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3419 @end ifnottex
3420 such that 
3421 @tex
3422 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3423 @end tex
3424 @ifnottex
3425 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3426 @end ifnottex
3427 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3428 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3429 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3430 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3431 @tex
3432 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3433 @end tex
3434 @ifnottex
3435 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3436 @end ifnottex
3437 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3438 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3439 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3440
3441 @cindex @code{clifford_prime()}
3442 @cindex @code{clifford_star()}
3443 @cindex @code{clifford_bar()}
3444 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3445
3446 @example
3447     ex clifford_prime(const ex & e)
3448     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3449     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3450 @end example
3451
3452 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3453 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3454 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3455 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3456 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3457 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3458 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3459 in a product. These functions correspond to the notations
3460 @math{e'},
3461 @tex
3462 $e^*$
3463 @end tex
3464 @ifnottex
3465 e*
3466 @end ifnottex
3467 and
3468 @tex
3469 $\overline{e}$
3470 @end tex
3471 @ifnottex
3472 @code{\bar@{e@}}
3473 @end ifnottex
3474 used in Clifford algebra textbooks.
3475
3476 @cindex @code{clifford_norm()}
3477 The function
3478
3479 @example
3480     ex clifford_norm(const ex & e);
3481 @end example
3482
3483 @cindex @code{clifford_inverse()}
3484 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3485 @tex
3486 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3487 @end tex
3488 @ifnottex
3489 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3490 @end ifnottex
3491  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3492
3493 @example
3494     ex clifford_inverse(const ex & e);
3495 @end example
3496
3497 which calculates it as 
3498 @tex
3499 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3500 @end tex
3501 @ifnottex
3502 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3503 @end ifnottex
3504  If
3505 @tex
3506 $||e|| = 0$
3507 @end tex
3508 @ifnottex
3509 @math{||e||=0}
3510 @end ifnottex
3511 then an exception is raised.
3512
3513 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3514 If a Clifford number happens to be a factor of
3515 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3516 expression by the function
3517
3518 @example
3519     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3520 @end example
3521
3522 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3523 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3524 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3525
3526 The next provided function is
3527
3528 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3529 @example
3530     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3531                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3532                             unsigned char rl = 0);
3533     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3534                             unsigned char rl = 0);
3535 @end example 
3536
3537 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3538 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3539 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3540 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3541 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3542 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3543 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3544 is either a vector or a list holding vector's components.
3545
3546 @cindex @code{clifford_max_label()}
3547 Finally the function
3548
3549 @example
3550 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3551 @end example
3552
3553 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3554 such objects are found it returns the maximal
3555 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3556 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3557 be ignored during the search.
3558  
3559 LaTeX output for Clifford units looks like
3560 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3561 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3562 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3563 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3564 @example
3565     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3566 @end example
3567 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3568 @example
3569     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3570 @end example
3571 prints units with @code{representation_label=0} as 
3572 @tex
3573 $e$,
3574 @end tex
3575 @ifnottex
3576 @code{e},
3577 @end ifnottex
3578 with @code{representation_label=1} as 
3579 @tex
3580 $\tilde{e}$
3581 @end tex
3582 @ifnottex
3583 @code{\tilde@{e@}}
3584 @end ifnottex
3585  and with @code{representation_label=2} as 
3586 @tex
3587 $\breve{e}$.
3588 @end tex
3589 @ifnottex
3590 @code{\breve@{e@}}.
3591 @end ifnottex
3592
3593 @cindex @code{color} (class)
3594 @subsection Color algebra
3595
3596 @cindex @code{color_T()}
3597 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3598 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3599 elements @math{T_a} are constructed by the function
3600
3601 @example
3602 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3603 @end example
3604
3605 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3606 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3607 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3608 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3609 not @code{varidx}.
3610
3611 @cindex @code{color_ONE()}
3612 The unity element of a color algebra is constructed by
3613
3614 @example
3615 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3616 @end example
3617
3618 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3619 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3620 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3621 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3622 GiNaC may produce incorrect results.
3623
3624 @cindex @code{color_d()}
3625 @cindex @code{color_f()}
3626 The functions
3627
3628 @example
3629 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3630 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3631 @end example
3632
3633 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3634 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3635 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3636
3637 These functions evaluate to their numerical values,
3638 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3639 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3640 goes along better with the notations used in physical literature.
3641
3642 @cindex @code{color_h()}
3643 There's an additional function
3644
3645 @example
3646 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3647 @end example
3648
3649 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3650
3651 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3652 expressions containing color objects:
3653
3654 @example
3655 @{
3656     ...
3657     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3658         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3659
3660     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3661     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3662      // -> 0
3663
3664     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3665     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3666      // -> 5/3*delta.k.l
3667
3668     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3669     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3670      // -> 3*delta.k.l
3671
3672     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3673     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3674      // -> -32/3
3675
3676     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3677     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3678      // -> -2/3*T.a
3679
3680     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3681     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3682      // -> -8/9*ONE
3683
3684     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3685     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3686      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3687     ...
3688 @end example
3689
3690 @cindex @code{color_trace()}
3691 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3692 of the functions
3693
3694 @example
3695 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3696 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3697 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3698 @end example
3699
3700 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3701 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3702 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3703 example:
3704
3705 @example
3706     ...
3707     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3708     cout << e << endl;
3709      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3710 @}
3711 @end example
3712
3713
3714 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3715 @c    node-name, next, previous, up
3716 @section Hash Maps
3717 @cindex hash maps
3718 @cindex @code{exhashmap} (class)
3719
3720 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3721 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3722 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3723 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3724
3725 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3726 following differences:
3727
3728 @itemize @bullet
3729 @item
3730 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3731 @item
3732 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3733 @item 
3734 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3735 @item
3736 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3737 @code{ex_is_less}
3738 @item
3739 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3740 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3741 larger than the specified value)
3742 @item
3743 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3744 table
3745 @item 
3746 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3747 @end itemize
3748
3749
3750 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3751 @c    node-name, next, previous, up
3752 @chapter Methods and functions
3753 @cindex polynomial
3754
3755 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3756 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3757 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3758 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3759 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3760 example:
3761
3762 @example
3763     ...
3764     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3765     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3766     ...
3767 @end example
3768
3769 @cindex @code{subs()}
3770 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3771 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3772 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3773 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3774 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3775 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3776 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3777 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3778 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3779 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3780 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3781 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3782 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3783 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3784 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3785 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3786 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3787 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3788 avoided.
3789
3790 @menu
3791 * Information about expressions::
3792 * Numerical evaluation::
3793 * Substituting expressions::
3794 * Pattern matching and advanced substitutions::
3795 * Applying a function on subexpressions::
3796 * Visitors and tree traversal::
3797 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3798 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3799 * Symbolic differentiation::
3800 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3801 * Symmetrization::
3802 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3803 * Multiple polylogarithms::
3804 * Complex expressions::
3805 * Solving linear systems of equations::
3806 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3807 @end menu
3808
3809
3810 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3811 @c    node-name, next, previous, up
3812 @section Getting information about expressions
3813
3814 @subsection Checking expression types
3815 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3816 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3817 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3818 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3819 @cindex @code{info()}
3820 @cindex @code{return_type()}
3821 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3822
3823 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3824 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3825 GiNaC provides a couple of functions for this:
3826
3827 @example
3828 bool is_a<T>(const ex & e);
3829 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3830 bool ex::info(unsigned flag);
3831 unsigned ex::return_type() const;
3832 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3833 @end example
3834
3835 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3836 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3837 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3838 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3839
3840 @example
3841 @{
3842     @dots{}
3843     if (is_a<numeric>(e))
3844         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3845     @dots{}
3846 @}
3847 @end example
3848
3849 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3850 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3851 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3852 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3853
3854 @example
3855 @{
3856     symbol x("x");
3857     ex e1 = 42;
3858     ex e2 = 4*x - 3;
3859     is_a<numeric>(e1);  // true
3860     is_a<numeric>(e2);  // false
3861     is_a<add>(e1);      // false
3862     is_a<add>(e2);      // true
3863     is_a<mul>(e1);      // false
3864     is_a<mul>(e2);      // false
3865 @}
3866 @end example
3867
3868 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3869 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3870 class @samp{T}, not including parent classes.
3871
3872 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3873 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3874 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3875 table:
3876
3877 @cartouche
3878 @multitable @columnfractions .30 .70
3879 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3880 @item @code{numeric}
3881 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3882 @item @code{real}
3883 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3884 @item @code{rational}
3885 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3886 @item @code{integer}
3887 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3888 @item @code{crational}
3889 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3890 @item @code{cinteger}
3891 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3892 @item @code{positive}
3893 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3894 @item @code{negative}
3895 @tab @dots{}not complex and less than 0
3896 @item @code{nonnegative}
3897 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3898 @item @code{posint}
3899 @tab @dots{}an integer greater than 0
3900 @item @code{negint}
3901 @tab @dots{}an integer less than 0
3902 @item @code{nonnegint}
3903 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3904 @item @code{even}
3905 @tab @dots{}an even integer
3906 @item @code{odd}
3907 @tab @dots{}an odd integer
3908 @item @code{prime}
3909 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3910 @item @code{relation}
3911 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3912 @item @code{relation_equal}
3913 @tab @dots{}a @code{==} relation
3914 @item @code{relation_not_equal}
3915 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3916 @item @code{relation_less}
3917 @tab @dots{}a @code{<} relation
3918 @item @code{relation_less_or_equal}
3919 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3920 @item @code{relation_greater}
3921 @tab @dots{}a @code{>} relation
3922 @item @code{relation_greater_or_equal}
3923 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3924 @item @code{symbol}
3925 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3926 @item @code{list}
3927 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3928 @item @code{polynomial}
3929 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3930 @item @code{integer_polynomial}
3931 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3932 @item @code{cinteger_polynomial}
3933 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3934 @item @code{rational_polynomial}
3935 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3936 @item @code{crational_polynomial}
3937 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3938 @item @code{rational_function}
3939 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3940 @item @code{algebraic}
3941 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3942 @end multitable
3943 @end cartouche
3944
3945 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3946 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3947 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3948 for an explanation of these.
3949
3950
3951 @subsection Accessing subexpressions
3952 @cindex container
3953
3954 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3955 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3956 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3957 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3958
3959 @cindex @code{nops()}
3960 @cindex @code{op()}
3961 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3962 use the two methods
3963
3964 @example
3965 size_t ex::nops();
3966 ex ex::op(size_t i);
3967 @end example
3968
3969 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3970 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3971 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3972 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3973 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3974 @math{i>0} are the indices.
3975
3976 @cindex iterators
3977 @cindex @code{const_iterator}
3978 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3979 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3980
3981 @example
3982 const_iterator ex::begin();
3983 const_iterator ex::end();
3984 @end example
3985
3986 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3987 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3988 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3989 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3990
3991 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3992 given expression in three different ways:
3993
3994 @example
3995 @{
3996     ex e = ...
3997
3998     // with nops()/op()
3999     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4000         cout << e.op(i) << endl;
4001
4002     // with iterators
4003     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4004         cout << *i << endl;
4005
4006     // with iterators and STL copy()
4007     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4008 @}
4009 @end example
4010
4011 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4012 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4013 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4014 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4015 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4016 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4017 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4018 methods
4019
4020 @example
4021 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4022 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4023 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4024 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4025 @end example
4026
4027 The following example illustrates the differences between
4028 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4029 @code{const_postorder_iterator}:
4030
4031 @example
4032 @{
4033     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4034     ex e = lst(lst(A, B), C);
4035
4036     std::copy(e.begin(), e.end(),
4037               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4038     // @{A,B@}
4039     // C
4040
4041     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4042               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4043     // @{@{A,B@},C@}
4044     // @{A,B@}
4045     // A
4046     // B
4047     // C
4048
4049     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4050               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4051     // A
4052     // B
4053     // @{A,B@}
4054     // C
4055     // @{@{A,B@},C@}
4056 @}
4057 @end example
4058
4059 @cindex @code{relational} (class)
4060 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4061 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4062 methods
4063
4064 @example
4065 ex ex::lhs();
4066 ex ex::rhs();
4067 @end example
4068
4069
4070 @subsection Comparing expressions
4071 @cindex @code{is_equal()}
4072 @cindex @code{is_zero()}
4073
4074 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4075 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4076 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4077 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4078 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4079 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4080 @code{false}.
4081
4082 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4083 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4084 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4085
4086 There are also two methods
4087
4088 @example
4089 bool ex::is_equal(const ex & other);
4090 bool ex::is_zero();
4091 @end example
4092
4093 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4094 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4095 @pxref{Matrices}. 
4096
4097
4098 @subsection Ordering expressions
4099 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4100 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4101 @cindex @code{compare()}
4102
4103 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4104 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4105 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4106 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4107
4108 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4109 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4110 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4111 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4112 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4113 yield @code{true}.
4114
4115 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4116 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4117 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4118 predicates to the STL:
4119
4120 @example
4121 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4122 public:
4123     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4124 @};
4125
4126 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4127 public:
4128     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4129 @};
4130 @end example
4131
4132 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4133 have to use
4134
4135 @example
4136 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4137 @end example
4138
4139 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4140 bugs because the map operates improperly.
4141
4142 Other examples for the use of the functors:
4143
4144 @example
4145 std::vector<ex> v;
4146 // fill vector
4147 ...
4148
4149 // sort vector
4150 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4151
4152 // count the number of expressions equal to '1'
4153 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4154                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4155 @end example
4156
4157 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4158
4159 @example
4160 int ex::compare(const ex & other) const;
4161 @end example
4162
4163 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4164 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4165 after @code{other}.
4166
4167
4168 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4169 @c    node-name, next, previous, up
4170 @section Numerical evaluation
4171 @cindex @code{evalf()}
4172
4173 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4174 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4175
4176 @example
4177 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4178 @end example
4179
4180 @cindex @code{Digits}
4181 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4182 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4183 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4184
4185 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4186 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4187
4188 @example
4189 @{
4190     // Approximate sin(x/Pi)
4191     symbol x("x");
4192     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4193
4194     // Evaluate numerically at x=0.1
4195     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4196
4197     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4198     if (is_a<numeric>(f)) @{
4199         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4200         cout << d << endl;
4201          // -> 0.0318256
4202     @} else
4203         // error
4204 @}
4205 @end example
4206
4207
4208 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4209 @c    node-name, next, previous, up
4210 @section Substituting expressions
4211 @cindex @code{subs()}
4212
4213 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4214 expressions via the @code{.subs()} method:
4215
4216 @example
4217 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4218 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4219 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4220 @end example
4221
4222 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4223 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4224
4225 @example
4226 @{
4227     symbol x("x"), y("y");
4228
4229     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4230     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4231      // -> 73
4232
4233     ex e2 = x*y + x;
4234     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4235      // -> -10
4236 @}
4237 @end example
4238
4239 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4240 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4241
4242 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4243 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4244 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4245 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4246 be substituted is large or unknown.
4247
4248 Using this form, the second example from above would look like this:
4249
4250 @example
4251 @{
4252     symbol x("x"), y("y");
4253     ex e2 = x*y + x;
4254
4255     exmap m;
4256     m[x] = -2;
4257     m[y] = 4;
4258     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4259 @}
4260 @end example
4261
4262 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4263 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4264 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4265
4266 @example
4267 @{
4268     symbol x("x"), y("y");
4269     ex e2 = x*y + x;
4270
4271     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4272 @}
4273 @end example
4274
4275 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4276 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4277 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4278 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4279 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4280 algebraic substitutions in products and powers.
4281 @ref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4282 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4283 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4284 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4285 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4286 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4287
4288 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4289 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4290 following example:
4291
4292 @example
4293 @{
4294     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4295
4296     ex e1 = pow(x+y, 2);
4297     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4298      // -> 16
4299
4300     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4301     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4302      // -> cos(x)^2*sin(y)
4303
4304     ex e3 = x+y+z;
4305     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4306      // -> x+y+z
4307      // (and not 4+z as one might expect)
4308 @}
4309 @end example
4310
4311 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4312 next section.
4313
4314
4315 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4316 @c    node-name, next, previous, up
4317 @section Pattern matching and advanced substitutions
4318 @cindex @code{wildcard} (class)
4319 @cindex Pattern matching
4320
4321 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4322 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4323 substituting expressions in a more general way.
4324
4325 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4326 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4327 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4328 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4329 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4330 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4331 with the call
4332
4333 @example
4334 ex wild(unsigned label = 0);
4335 @end example
4336
4337 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4338 name.
4339
4340 Some examples for patterns:
4341
4342 @multitable @columnfractions .5 .5
4343 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4344 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4345 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4346 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4347 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4348 @end multitable
4349
4350 Notes:
4351
4352 @itemize
4353 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4354   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4355 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4356   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4357   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4358 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4359   possible to use them as placeholders for other properties like index
4360   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4361   etc.
4362 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4363   as part of noncommutative products.
4364 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4365   are also valid patterns.
4366 @end itemize
4367
4368 @subsection Matching expressions
4369 @cindex @code{match()}
4370 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4371 matches a given pattern. This is done by the function
4372
4373 @example
4374 bool ex::match(const ex & pattern);
4375 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4376 @end example
4377
4378 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4379 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4380 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4381 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4382 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4383 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4384 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4385 expressions by passing in the result of a previous match.
4386
4387 The matching algorithm works as follows:
4388
4389 @itemize
4390 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4391   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4392   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4393   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4394 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4395   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4396   etc.).
4397 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4398   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4399 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4400   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4401   of the pattern.
4402 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4403   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4404 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4405   match the corresponding subexpression of the pattern.
4406 @end itemize
4407
4408 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4409 account for their commutativity and associativity:
4410
4411 @itemize
4412 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4413   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4414   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4415   way.
4416 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4417   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4418   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4419   further matches.
4420 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4421   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4422   which case this wildcard matches the remaining terms.
4423 @end itemize
4424
4425 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4426 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4427 ambiguous results.
4428
4429 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4430 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4431 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4432
4433 @example
4434 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4435 @{@}
4436 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4437 FAIL
4438 > match((x+y)^a,$1^$2);
4439 @{$1==x+y,$2==a@}
4440 > match((x+y)^a,$1^$1);
4441 FAIL
4442 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4443 @{$1==x+y@}
4444 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4445 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4446 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4447 @{$1==a@}
4448 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4449 @{$1==c,$2==b@}
4450   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4451 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4452   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4453    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4454    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4455    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4456    fail.)
4457 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4458   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4459    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4460 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4461 FAIL
4462 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4463 @{$0==a+e+b+f+d@}
4464 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4465 @{$0==a+b+f+d@}
4466 > match(a+b,a+b+$0);
4467 @{$0==0@}
4468 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4469 FAIL
4470   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4471    even though a==a^1.)
4472 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4473 @{$0==x@}
4474 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4475 @{$0==x^2@}
4476 @end example
4477
4478 @subsection Matching parts of expressions
4479 @cindex @code{has()}
4480 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4481 member function
4482
4483 @example
4484 bool ex::has(const ex & pattern);
4485 @end example
4486
4487 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4488 by any of its subexpressions.
4489
4490 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4491 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4492
4493 @example
4494 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4495 1
4496 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4497 0
4498   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4499    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4500 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4501 1
4502   (But this is possible.)
4503 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4504 0
4505   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4506    which "x+y" is not a subexpression.)
4507 > has(x+1,x^$1);
4508 0
4509   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4510    "x^something".)
4511 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4512 1
4513 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4514 0
4515   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4516    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4517    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4518 @end example
4519
4520 @cindex @code{find()}
4521 The method
4522
4523 @example
4524 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4525 @end example
4526
4527 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4528 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4529 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4530 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4531 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4532
4533 @example
4534 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4535 @{x@}
4536 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4537 @{@}
4538 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4539 @{x^3,x^2@}
4540   (Note the absence of "x".)
4541 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4542 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4543 > find(%,sin($1));
4544 @{sin(y),sin(x)@}
4545 @end example
4546
4547 @subsection Substituting expressions
4548 @cindex @code{subs()}
4549 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4550 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4551 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4552 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4553 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4554
4555 Some examples:
4556
4557 @example
4558 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4559 b^3+a^3+(x+y)^3
4560 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4561 b^4+a^4+(x+y)^4
4562 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4563 (a+b+c)^2
4564 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4565 (x+c)^2
4566 > subs(a+2*b,a+b==x);
4567 a+2*b
4568 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4569 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4570 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4571 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4572 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4573 cos(1+cos(x))
4574 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4575 a+b
4576 @end example
4577
4578 The last example would be written in C++ in this way:
4579
4580 @example
4581 @{
4582     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4583     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4584     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4585     cout << e.expand() << endl;
4586      // -> a+b
4587 @}
4588 @end example
4589
4590 @subsection The option algebraic
4591 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4592 extra options. This section describes what happens if you give the former
4593 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4594 @code{subs:options::algebraic}. In that case the matching condition for
4595 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4596 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4597 If you use these options you will find that
4598 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4599 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4600 often as is possible without getting negative exponents. For example
4601 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4602 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4603 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4604 return @code{x^(-1)*c^2*z}. Note that this only works for multiplications
4605 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4606
4607
4608 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4609 @c    node-name, next, previous, up
4610 @section Applying a function on subexpressions
4611 @cindex tree traversal
4612 @cindex @code{map()}
4613
4614 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4615 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4616 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4617 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4618 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4619 to do this manually which usually results in code like this:
4620
4621 @example
4622 ex calc_trace(ex e)
4623 @{
4624     if (is_a<matrix>(e))
4625         return ex_to<matrix>(e).trace();
4626     else if (is_a<add>(e)) @{
4627         ex sum = 0;
4628         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4629             sum += calc_trace(e.op(i));
4630         return sum;
4631     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4632         ...
4633     @} else @{
4634         ...
4635     @}
4636 @}
4637 @end example
4638
4639 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4640 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4641 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4642 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4643 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4644
4645 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4646 operations:
4647
4648 @example
4649 ex ex::map(map_function & f) const;
4650 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4651 @end example
4652
4653 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4654 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4655 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4656 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4657 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4658 non-recursively.
4659
4660 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4661 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4662 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4663 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4664 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4665
4666 @example
4667 struct calc_trace : public map_function @{
4668     ex operator()(const ex &e)
4669     @{
4670         if (is_a<matrix>(e))
4671             return ex_to<matrix>(e).trace();
4672         else if (is_a<mul>(e)) @{
4673             ...
4674         @} else
4675             return e.map(*this);
4676     @}
4677 @};
4678 @end example
4679
4680 This function object could then be used like this:
4681
4682 @example
4683 @{
4684     ex M = ... // expression with matrices
4685     calc_trace do_trace;
4686     ex tr = do_trace(M);
4687 @}
4688 @end example
4689
4690 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4691 terms in a variable from an expanded polynomial:
4692
4693 @example
4694 struct map_rem_quad : public map_function @{
4695     ex var;
4696     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4697
4698     ex operator()(const ex & e)
4699     @{
4700         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4701             return e.map(*this);
4702         else if (is_a<power>(e) && 
4703                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4704             return 0;
4705         else
4706             return e;
4707     @}
4708 @};
4709
4710 ...
4711
4712 @{
4713     symbol x("x"), y("y");
4714
4715     ex e;
4716     for (int i=0; i<8; i++)
4717         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4718     cout << e << endl;
4719      // -> 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
4720
4721     map_rem_quad rem_quad(x);
4722     cout << rem_quad(e) << endl;
4723      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4724 @}
4725 @end example
4726
4727 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4728 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4729 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4730 acts as the placeholder for the operands:
4731
4732 @example
4733 > map(a*b,sin($0));
4734 sin(a)*sin(b)
4735 > map(a+2*b,sin($0));
4736 sin(a)+sin(2*b)
4737 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4738 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4739 @end example
4740
4741 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4742 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4743 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4744
4745 @example
4746 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4747 @{0,0,0@}
4748   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4749   to "map(@{a,b,c@},0)".
4750 @end example
4751
4752
4753 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4754 @c    node-name, next, previous, up
4755 @section Visitors and tree traversal
4756 @cindex tree traversal
4757 @cindex @code{visitor} (class)
4758 @cindex @code{accept()}
4759 @cindex @code{visit()}
4760 @cindex @code{traverse()}
4761 @cindex @code{traverse_preorder()}
4762 @cindex @code{traverse_postorder()}
4763
4764 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4765 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4766 indices with variance you always want the covariant version returned.
4767
4768 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4769 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4770 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4771 with variance, one for plain ones).
4772
4773 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4774 such as the following:
4775
4776 @example
4777 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4778 @{
4779     if (is_a<varidx>(e)) @{
4780         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4781         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4782     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4783         l.append(e);
4784     @} else @{
4785         size_t n = e.nops();
4786         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4787             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4788     @}
4789 @}
4790
4791 lst gather_indices(const ex & e)
4792 @{
4793     lst l;
4794     gather_indices_helper(e, l);
4795     l.sort();
4796     l.unique();
4797     return l;
4798 @}
4799 @end example
4800
4801 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4802 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4803 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4804
4805 @example
4806     if (is_a<idx>(e)) @{
4807       ...
4808     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4809       ...
4810 @end example
4811
4812 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4813 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4814 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4815 executed.
4816
4817 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4818 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4819 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4820 write a function that required a different implementation for nearly
4821 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4822
4823 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4824 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4825 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4826 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4827 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4828 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4829 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4830 presented this would be impractical.
4831
4832 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4833 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4834 variation, described in detail in
4835 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4836 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4837 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4838 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4839 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4840 object that @code{accept()} was being invoked on.
4841
4842 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4843 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4844 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4845 each class.
4846
4847 A call of
4848
4849 @example
4850 void ex::accept(visitor & v) const;
4851 @end example
4852
4853 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4854 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4855 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4856
4857 Here is an example of a visitor:
4858
4859 @example
4860 class my_visitor
4861  : public visitor,          // this is required
4862    public add::visitor,     // visit add objects
4863    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4864    public basic::visitor    // visit basic objects
4865 @{
4866     void visit(const add & x)
4867     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4868
4869     void visit(const numeric & x)
4870     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4871
4872     void visit(const basic & x)
4873     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4874 @};
4875 @end example
4876
4877 which can be used as follows:
4878
4879 @example
4880 ...
4881     symbol x("x");
4882     ex e1 = 42;
4883     ex e2 = 4*x-3;
4884     ex e3 = 8*x;
4885
4886     my_visitor v;
4887     e1.accept(v);
4888      // prints "called with a numeric object"
4889     e2.accept(v);
4890      // prints "called with an add object"
4891     e3.accept(v);
4892      // prints "called with a basic object"
4893 ...
4894 @end example
4895
4896 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4897 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4898
4899 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4900 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4901 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4902 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4903 hierarchies of visitors.
4904
4905 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4906
4907 @example
4908 class gather_indices_visitor
4909  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4910 @{
4911     lst l;
4912
4913     void visit(const idx & i)
4914     @{
4915         l.append(i);
4916     @}
4917
4918     void visit(const varidx & vi)
4919     @{
4920         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4921     @}
4922
4923 public:
4924     const lst & get_result() // utility function
4925     @{
4926         l.sort();
4927         l.unique();
4928         return l;
4929     @}
4930 @};
4931 @end example
4932
4933 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4934 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4935
4936 @example
4937 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4938 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4939 void ex::traverse(visitor & v) const;
4940 @end example
4941
4942 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4943 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4944 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4945 @code{traverse_preorder()}.
4946
4947 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4948 and @code{traverse()}:
4949
4950 @example
4951 lst gather_indices(const ex & e)
4952 @{
4953     gather_indices_visitor v;
4954     e.traverse(v);
4955     return v.get_result();
4956 @}
4957 @end example
4958
4959 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4960 traversal:
4961
4962 @example
4963 lst gather_indices(const ex & e)
4964 @{
4965     gather_indices_visitor v;
4966     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4967          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4968         i->accept(v);
4969     @}
4970     return v.get_result();
4971 @}
4972 @end example
4973
4974
4975 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
4976 @c    node-name, next, previous, up
4977 @section Polynomial arithmetic
4978
4979 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
4980 @cindex @code{is_polynomial()}
4981
4982 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
4983 can be done with the method
4984 @example
4985 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
4986 @end example
4987 In the case of more than
4988 one variable, the variables are given as a list.
4989
4990 @example
4991 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
4992 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
4993 @end example
4994
4995 @subsection Expanding and collecting
4996 @cindex @code{expand()}
4997 @cindex @code{collect()}
4998 @cindex @code{collect_common_factors()}
4999
5000 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5001 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5002 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5003 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5004 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5005 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5006 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5007 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5008 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5009 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5010 x*z}.
5011
5012 To bring an expression into expanded form, its method
5013
5014 @example
5015 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5016 @end example
5017
5018 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5019 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5020 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5021 orderings of terms in such sums!
5022
5023 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5024 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5025 being polynomials in the remaining variables.  The method
5026 @code{collect()} accomplishes this task:
5027
5028 @example
5029 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5030 @end example
5031
5032 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5033 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5034 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5035 by the @code{distributed} flag.
5036
5037 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5038 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5039 coefficients properly.
5040
5041 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5042 together with @code{find()}:
5043
5044 @example
5045 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5046 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)
5047 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5048 > collect(a,@{p,q@});
5049 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5050 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5051 > collect(a,find(a,sin($1)));
5052 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5053 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5054 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5055 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5056 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5057 @end example
5058
5059 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5060 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5061
5062 @example
5063 ex collect_common_factors(const ex & e);
5064 @end example
5065
5066 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5067 factors which are already explicitly present:
5068
5069 @example
5070 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5071 (x+y)*a
5072 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5073 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5074 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5075 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5076 @end example
5077
5078 @subsection Degree and coefficients
5079 @cindex @code{degree()}
5080 @cindex @code{ldegree()}
5081 @cindex @code{coeff()}
5082
5083 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5084 methods
5085
5086 @example
5087 int ex::degree(const ex & s);
5088 int ex::ldegree(const ex & s);
5089 @end example
5090
5091 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5092 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5093 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5094 an expanded polynomial you use
5095
5096 @example
5097 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5098 @end example
5099
5100 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5101
5102 @example
5103 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5104 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5105 @end example
5106
5107 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5108 respectively.
5109
5110 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5111 polynomial is analyzed:
5112
5113 @example
5114 @{
5115     symbol x("x"), y("y");
5116     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5117                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5118     ex Poly = PolyInp.expand();
5119     
5120     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5121         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5122              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5123     @}
5124     cout << "As polynomial in y: " 
5125          << Poly.collect(y) << endl;
5126 @}
5127 @end example
5128
5129 When run, it returns an output in the following fashion:
5130
5131 @example
5132 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5133 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5134 The x^2-coefficient is -1
5135 The x^3-coefficient is 4*y
5136 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5137 @end example
5138
5139 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5140 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5141 within the user's sphere of influence.
5142
5143 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5144 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5145 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5146 constants, functions and indexed objects as well:
5147
5148 @example
5149 @{
5150     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5151     idx i(symbol("i"), 3);
5152
5153     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5154     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5155      // -> 4
5156     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5157      // -> -4*cos(x)
5158
5159     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5160     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5161     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5162      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5163 @}
5164 @end example
5165
5166
5167 @subsection Polynomial division
5168 @cindex polynomial division
5169 @cindex quotient
5170 @cindex remainder
5171 @cindex pseudo-remainder
5172 @cindex @code{quo()}
5173 @cindex @code{rem()}
5174 @cindex @code{prem()}
5175 @cindex @code{divide()}
5176
5177 The two functions
5178
5179 @example
5180 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5181 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5182 @end example
5183
5184 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5185 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5186
5187 The additional function
5188
5189 @example
5190 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5191 @end example
5192
5193 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5194 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5195
5196 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5197
5198 @example
5199 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5200 @end example
5201
5202 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5203 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5204 in which case the value of @code{q} is undefined.
5205
5206
5207 @subsection Unit, content and primitive part
5208 @cindex @code{unit()}
5209 @cindex @code{content()}
5210 @cindex @code{primpart()}
5211 @cindex @code{unitcontprim()}
5212
5213 The methods
5214
5215 @example
5216 ex ex::unit(const ex & x);
5217 ex ex::content(const ex & x);
5218 ex ex::primpart(const ex & x);
5219 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5220 @end example
5221
5222 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5223 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5224 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5225 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5226 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5227 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5228 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5229 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5230
5231 Additionally, the method
5232
5233 @example
5234 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5235 @end example
5236
5237 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5238 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5239
5240
5241 @subsection GCD, LCM and resultant
5242 @cindex GCD
5243 @cindex LCM
5244 @cindex @code{gcd()}
5245 @cindex @code{lcm()}
5246
5247 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5248 multiple have the synopsis
5249
5250 @example
5251 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5252 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5253 @end example
5254
5255 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5256 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5257 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5258 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5259 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5260 the coefficients must be rationals.
5261
5262 @example
5263 #include <ginac/ginac.h>
5264 using namespace GiNaC;
5265
5266 int main()
5267 @{
5268     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5269     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5270     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5271
5272     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5273     // x + 5*y + 4*z
5274     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5275     // 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
5276 @}
5277 @end example
5278
5279 @cindex resultant
5280 @cindex @code{resultant()}
5281
5282 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5283 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5284 expressions. The function has the interface
5285
5286 @example
5287 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5288 @end example
5289
5290 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5291 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5292 @code{y}, respectively:
5293
5294 @example
5295 #include <ginac/ginac.h>
5296 using namespace GiNaC;
5297
5298 int main()
5299 @{
5300     symbol x("x"), y("y");
5301
5302     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5303     ex r;
5304     
5305     r = resultant(e1, e2, x); 
5306     // -> 1+2*y^6
5307     r = resultant(e1, e2, y); 
5308     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5309 @}
5310 @end example
5311
5312 @subsection Square-free decomposition
5313 @cindex square-free decomposition
5314 @cindex factorization
5315 @cindex @code{sqrfree()}
5316
5317 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5318 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5319 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5320 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5321 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5322 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5323 one, too:
5324 @example
5325 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5326 @end example
5327 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5328 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5329 some care with subsequent processing of the result:
5330 @example
5331     ...
5332     symbol x("x"), y("y");
5333     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5334
5335     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5336      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5337
5338     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5339      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5340
5341     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5342      // -> depending on luck, any of the above
5343     ...
5344 @end example
5345 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5346 with this method.
5347
5348
5349 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5350 @c    node-name, next, previous, up
5351 @section Rational expressions
5352
5353 @subsection The @code{normal} method
5354 @cindex @code{normal()}
5355 @cindex simplification
5356 @cindex temporary replacement
5357
5358 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5359 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5360 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5361 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5362 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5363 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5364
5365 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5366 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5367 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5368 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5369 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5370 @code{.to_rational()}, described below.
5371
5372 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5373 simplified in this little code snippet:
5374
5375 @example
5376 @{
5377     symbol x("x");
5378     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5379     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5380     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5381     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5382 @}
5383 @end example
5384
5385 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5386 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5387 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5388
5389
5390 @subsection Numerator and denominator
5391 @cindex numerator
5392 @cindex denominator
5393 @cindex @code{numer()}
5394 @cindex @code{denom()}
5395 @cindex @code{numer_denom()}
5396
5397 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5398
5399 @example
5400 ex ex::numer();
5401 ex ex::denom();
5402 ex ex::numer_denom();
5403 @end example
5404
5405 These functions will first normalize the expression as described above and
5406 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5407 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5408 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5409
5410
5411 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5412 @cindex @code{to_polynomial()}
5413 @cindex @code{to_rational()}
5414
5415 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5416 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5417 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5418 above. You do this by calling
5419
5420 @example
5421 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5422 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5423 @end example
5424 or
5425 @example
5426 ex ex::to_rational(exmap & m);
5427 ex ex::to_rational(lst & l);
5428 @end example
5429
5430 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5431 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5432 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5433 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5434 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5435 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5436
5437 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5438 is probably best illustrated with an example:
5439
5440 @example
5441 @{
5442     symbol x("x"), y("y");
5443     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5444     cout << a << endl;
5445
5446     lst lp;
5447     ex p = a.to_polynomial(lp);
5448     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5449      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5450      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5451
5452     lst lr;
5453     ex r = a.to_rational(lr);
5454     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5455      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5456      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5457 @}
5458 @end example
5459
5460 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5461
5462 @example
5463 @{
5464     symbol x("x");
5465     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5466     ex b = sin(x) + cos(x);
5467     ex q;
5468     exmap m;
5469     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5470     cout << q.subs(m) << endl;
5471 @}
5472 @end example
5473
5474
5475 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5476 @c    node-name, next, previous, up
5477 @section Symbolic differentiation
5478 @cindex differentiation
5479 @cindex @code{diff()}
5480 @cindex chain rule
5481 @cindex product rule
5482
5483 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5484 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5485 the derivatives of all the monomials:
5486
5487 @example
5488 @{
5489     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5490     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5491
5492     cout << P.diff(x,2) << endl;
5493      // -> 20*x^3 + 2
5494     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5495      // -> 1
5496     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5497      // -> 0
5498 @}
5499 @end example
5500
5501 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5502 returns the @var{n}th derivative.
5503
5504 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5505 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5506 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5507 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5508 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5509 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5510 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5511 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5512 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5513 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5514 lines:
5515
5516 @cindex Euler numbers
5517 @example
5518 #include <ginac/ginac.h>
5519 using namespace GiNaC;
5520
5521 ex EulerNumber(unsigned n)
5522 @{
5523     symbol x;
5524     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5525     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5526 @}
5527
5528 int main()
5529 @{
5530     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5531         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5532     return 0;
5533 @}
5534 @end example
5535
5536 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5537 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5538 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5539
5540
5541 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5542 @c    node-name, next, previous, up
5543 @section Series expansion
5544 @cindex @code{series()}
5545 @cindex Taylor expansion
5546 @cindex Laurent expansion
5547 @cindex @code{pseries} (class)
5548 @cindex @code{Order()}
5549
5550 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5551 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5552 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5553 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5554 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5555 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5556 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5557 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5558 term).  A sample application from special relativity could read:
5559
5560 @example
5561 #include <ginac/ginac.h>
5562 using namespace std;
5563 using namespace GiNaC;
5564
5565 int main()
5566 @{
5567     symbol v("v"), c("c");
5568     
5569     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5570     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5571     
5572     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5573          << mass_nonrel << endl;
5574     
5575     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5576          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5577 @}
5578 @end example
5579
5580 Only calling the series method makes the last output simplify to
5581 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5582 series raised to the power @math{-2}.
5583
5584 @cindex Machin's formula
5585 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5586 value of Archimedes' constant
5587 @tex
5588 $\pi$
5589 @end tex
5590 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5591 using John Machin's amazing formula
5592 @tex
5593 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5594 @end tex
5595 @ifnottex
5596 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5597 @end ifnottex
5598 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5599 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5600 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5601 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5602 order term with it and the question arises what the system is supposed
5603 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5604 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5605 term off:
5606
5607 @example
5608 #include <ginac/ginac.h>
5609 using namespace GiNaC;
5610
5611 ex machin_pi(int degr)
5612 @{
5613     symbol x;
5614     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5615     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5616                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5617     return pi_approx;
5618 @}
5619
5620 int main()
5621 @{
5622     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5623     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5624     ex pi_frac;
5625     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5626         pi_frac = machin_pi(i);
5627         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5628              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5629     @}
5630     return 0;
5631 @}
5632 @end example
5633
5634 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5635 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5636 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5637 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5638 program, it will type out:
5639
5640 @example
5641 2:      3804/1195
5642         3.1832635983263598326
5643 4:      5359397032/1706489875
5644         3.1405970293260603143
5645 6:      38279241713339684/12184551018734375
5646         3.141621029325034425
5647 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5648         3.141591772182177295
5649 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5650         3.1415926824043995174
5651 @end example
5652
5653
5654 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5655 @c    node-name, next, previous, up
5656 @section Symmetrization
5657 @cindex @code{symmetrize()}
5658 @cindex @code{antisymmetrize()}
5659 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5660
5661 The three methods
5662
5663 @example
5664 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5665 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5666 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5667 @end example
5668
5669 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5670 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5671 weighted by the number of permutations.
5672
5673 The three additional methods
5674
5675 @example
5676 ex ex::symmetrize();
5677 ex ex::antisymmetrize();
5678 ex ex::symmetrize_cyclic();
5679 @end example
5680
5681 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5682
5683 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5684 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5685
5686 @example
5687 @{
5688     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5689     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5690                                            
5691     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5692      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5693     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5694      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5695     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5696      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5697 @}
5698 @end example
5699
5700 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5701 @c    node-name, next, previous, up
5702 @section Predefined mathematical functions
5703 @c
5704 @subsection Overview
5705
5706 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5707
5708 @cartouche
5709 @multitable @columnfractions .30 .70
5710 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5711 @item @code{abs(x)}
5712 @tab absolute value
5713 @cindex @code{abs()}
5714 @item @code{step(x)}
5715 @tab step function
5716 @cindex @code{step()}
5717 @item @code{csgn(x)}
5718 @tab complex sign
5719 @cindex @code{conjugate()}
5720 @item @code{conjugate(x)}
5721 @tab complex conjugation
5722 @cindex @code{real_part()}
5723 @item @code{real_part(x)}
5724 @tab real part
5725 @cindex @code{imag_part()}
5726 @item @code{imag_part(x)}
5727 @tab imaginary part
5728 @item @code{sqrt(x)}
5729 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5730 @cindex @code{sqrt()}
5731 @item @code{sin(x)}
5732 @tab sine
5733 @cindex @code{sin()}
5734 @item @code{cos(x)}
5735 @tab cosine
5736 @cindex @code{cos()}
5737 @item @code{tan(x)}
5738 @tab tangent
5739 @cindex @code{tan()}
5740 @item @code{asin(x)}
5741 @tab inverse sine
5742 @cindex @code{asin()}
5743 @item @code{acos(x)}
5744 @tab inverse cosine
5745 @cindex @code{acos()}
5746 @item @code{atan(x)}
5747 @tab inverse tangent
5748 @cindex @code{atan()}
5749 @item @code{atan2(y, x)}
5750 @tab inverse tangent with two arguments
5751 @item @code{sinh(x)}
5752 @tab hyperbolic sine
5753 @cindex @code{sinh()}
5754 @item @code{cosh(x)}
5755 @tab hyperbolic cosine
5756 @cindex @code{cosh()}
5757 @item @code{tanh(x)}
5758 @tab hyperbolic tangent
5759 @cindex @code{tanh()}
5760 @item @code{asinh(x)}
5761 @tab inverse hyperbolic sine
5762 @cindex @code{asinh()}
5763 @item @code{acosh(x)}
5764 @tab inverse hyperbolic cosine
5765 @cindex @code{acosh()}
5766 @item @code{atanh(x)}
5767 @tab inverse hyperbolic tangent
5768 @cindex @code{atanh()}
5769 @item @code{exp(x)}
5770 @tab exponential function
5771 @cindex @code{exp()}
5772 @item @code{log(x)}
5773 @tab natural logarithm
5774 @cindex @code{log()}
5775 @item @code{Li2(x)}
5776 @tab dilogarithm
5777 @cindex @code{Li2()}
5778 @item @code{Li(m, x)}
5779 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5780 @cindex @code{Li()}
5781 @item @code{G(a, y)}
5782 @tab multiple polylogarithm
5783 @cindex @code{G()}
5784 @item @code{G(a, s, y)}
5785 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5786 @cindex @code{G()}
5787 @item @code{S(n, p, x)}
5788 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5789 @cindex @code{S()}
5790 @item @code{H(m, x)}
5791 @tab harmonic polylogarithm
5792 @cindex @code{H()}
5793 @item @code{zeta(m)}
5794 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5795 @cindex @code{zeta()}
5796 @item @code{zeta(m, s)}
5797 @tab alternating Euler sum
5798 @cindex @code{zeta()}
5799 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5800 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5801 @item @code{tgamma(x)}
5802 @tab gamma function
5803 @cindex @code{tgamma()}
5804 @cindex gamma function
5805 @item @code{lgamma(x)}
5806 @tab logarithm of gamma function
5807 @cindex @code{lgamma()}
5808 @item @code{beta(x, y)}
5809 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5810 @cindex @code{beta()}
5811 @item @code{psi(x)}
5812 @tab psi (digamma) function
5813 @cindex @code{psi()}
5814 @item @code{psi(n, x)}
5815 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5816 @item @code{factorial(n)}
5817 @tab factorial function @math{n!}
5818 @cindex @code{factorial()}
5819 @item @code{binomial(n, k)}
5820 @tab binomial coefficients
5821 @cindex @code{binomial()}
5822 @item @code{Order(x)}
5823 @tab order term function in truncated power series
5824 @cindex @code{Order()}
5825 @end multitable
5826 @end cartouche
5827
5828 @cindex branch cut
5829 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5830 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5831 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5832 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5833 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5834 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5835 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5836 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5837 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5838 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5839 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5840 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5841 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5842 compatible with C99.
5843
5844 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5845 @c    node-name, next, previous, up
5846 @subsection Multiple polylogarithms
5847
5848 @cindex polylogarithm
5849 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5850 @cindex harmonic polylogarithm
5851 @cindex multiple zeta value
5852 @cindex alternating Euler sum
5853 @cindex multiple polylogarithm
5854
5855 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5856 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5857 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5858 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5859 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5860 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5861 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5862 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5863 notations are more natural to the series representation or the integral
5864 representation, respectively.
5865
5866 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5867 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5868 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5869
5870 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5871 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5872 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5873 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5874 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5875 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5876 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5877 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5878 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5879 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5880 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5881
5882 The functions print in LaTeX format as
5883 @tex
5884 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5885 @end tex
5886 @tex
5887 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5888 @end tex
5889 @tex
5890 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5891 @end tex
5892 @tex
5893 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5894 @end tex
5895 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5896 are printed with a line above, e.g.
5897 @tex
5898 $\zeta(5,\overline{2})$.
5899 @end tex
5900 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5901
5902 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5903 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5904 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5905 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5906
5907 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5908 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5909 the series representation. This means
5910 @tex
5911 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5912 @end tex
5913 @tex
5914 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5915 @end tex
5916 @tex
5917 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5918 @end tex
5919 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5920 is reversed.
5921
5922 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5923 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5924 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5925 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5926 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5927 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5928 @tex
5929 $\zeta(\overline{3},4)$
5930 @end tex
5931 and
5932 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5933 @tex
5934 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5935 @end tex
5936 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5937 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5938 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
5939 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5940 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5941 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5942 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5943
5944 @example
5945 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5946 S(2,2,x)
5947 > H(@{-3,2@},1);
5948 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5949 > S(3,1,1);
5950 1/90*Pi^4
5951 @end example
5952
5953 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5954 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5955 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5956 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5957 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5958 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5959
5960 @example
5961 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5962 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5963 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5964 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5965 @end example
5966
5967 Every function can be numerically evaluated for
5968 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5969 global variable @code{Digits}:
5970
5971 @example
5972 > Digits=100;
5973 100
5974 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5975 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5976 @end example
5977
5978 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5979 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5980
5981 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5982 unevaluated, e.g.
5983 @tex
5984 $\zeta(1)$.
5985 @end tex
5986 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5987 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5988 cancellations of divergencies happen.
5989
5990 Useful publications:
5991
5992 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5993 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5994
5995 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5996 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5997
5998 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5999 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6000
6001 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6002 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6003
6004 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6005 @c    node-name, next, previous, up
6006 @section Complex expressions
6007 @c
6008 @cindex @code{conjugate()}
6009
6010 For dealing with complex expressions there are the methods
6011
6012 @example
6013 ex ex::conjugate();
6014 ex ex::real_part();
6015 ex ex::imag_part();
6016 @end example
6017
6018 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6019 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6020 for all built-in functinos and objects. Taking real and imaginary
6021 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6022 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6023 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6024 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6025 (symbols are complex by default), one could not simplify
6026 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6027 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6028
6029 For example,
6030 @example
6031 @{
6032     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6033     symbol x("x");
6034     realsymbol y("y");
6035                                            
6036     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6037      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6038     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6039      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6040 @}
6041 @end example
6042
6043 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6044 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6045 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6046 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6047 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6048 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6049
6050 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6051 @c    node-name, next, previous, up
6052 @section Solving linear systems of equations
6053 @cindex @code{lsolve()}
6054
6055 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6056 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6057 needs to be solved:
6058
6059 @example
6060 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6061           unsigned options = solve_algo::automatic);
6062 @end example
6063
6064 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6065 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6066 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6067 @code{lst}).
6068
6069 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6070 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6071
6072 @example
6073 @{
6074     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6075     lst eqns, vars;
6076     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6077     vars = x, y;
6078     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6079      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6080 @end example
6081
6082 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6083 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6084 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6085 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6086 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6087 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6088 around that method.
6089
6090
6091 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6092 @c    node-name, next, previous, up
6093 @section Input and output of expressions
6094 @cindex I/O
6095
6096 @subsection Expression output
6097 @cindex printing
6098 @cindex output of expressions
6099
6100 Expressions can simply be written to any stream:
6101
6102 @example
6103 @{
6104     symbol x("x");
6105     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6106     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6107     // ...
6108 @end example
6109
6110 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6111 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6112 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6113 is printed as @samp{x^2}).
6114
6115 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6116 a set of stream manipulators;
6117
6118 @example
6119 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6120 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6121 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6122 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6123 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6124 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6125 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6126 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6127 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6128 @end example
6129
6130 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6131 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6132 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6133
6134 @cindex @code{dflt}
6135 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6136 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6137
6138 @example
6139     // ...
6140     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6141                               // now on
6142     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6143     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6144     cout << dflt;             // revert to default output format
6145     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6146     // ...
6147 @end example
6148
6149 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6150 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6151
6152 @example
6153     // ...
6154     ostringstream s;
6155     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6156     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6157     // ...
6158 @end example
6159
6160 @anchor{csrc printing}
6161 @cindex @code{csrc}
6162 @cindex @code{csrc_float}
6163 @cindex @code{csrc_double}
6164 @cindex @code{csrc_cl_N}
6165 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6166 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6167 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6168 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6169 classes provided by the CLN library):
6170
6171 @example
6172     // ...
6173     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6174     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6175     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6176     // ...
6177 @end example
6178
6179 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6180 @code{x*x}):
6181
6182 @example
6183 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6184 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6185 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6186 @end example
6187
6188 @cindex @code{tree}
6189 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6190 expression for debugging purposes:
6191
6192 @example
6193     // ...
6194     cout << tree << e;
6195 @}
6196 @end example
6197
6198 produces
6199
6200 @example
6201 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6202     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6203         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6204         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6205     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6206     -----
6207     overall_coeff
6208     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6209     =====
6210 @end example
6211
6212 @cindex @code{latex}
6213 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6214 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6215 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6216 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6217 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6218 constructor.
6219
6220 For example, the code snippet
6221
6222 @example
6223 @{
6224     symbol x("x", "\\circ");
6225     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6226     cout << latex << e << endl;
6227 @}
6228 @end example
6229
6230 will print
6231
6232 @example
6233     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6234     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6235 @end example
6236
6237 @cindex @code{index_dimensions}
6238 @cindex @code{no_index_dimensions}
6239 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6240 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6241 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6242 formats:
6243
6244 @example
6245 @{
6246     symbol x("x"), y("y");
6247     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6248     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6249
6250     cout << e << endl;
6251      // prints 'x~mu*y~nu'
6252     cout << index_dimensions << e << endl;
6253      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6254     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6255      // prints 'x~mu*y~nu'
6256 @}
6257 @end example
6258
6259
6260 @cindex Tree traversal
6261 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6262 with other algebra systems or for producing code for different
6263 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6264
6265 @example
6266 static void my_print(const ex & e)
6267 @{
6268     if (is_a<function>(e))
6269         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6270     else
6271         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6272     cout << "(";
6273     size_t n = e.nops();
6274     if (n)
6275         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6276             my_print(e.op(i));
6277             if (i != n-1)
6278                 cout << ",";
6279         @}
6280     else
6281         cout << e;
6282     cout << ")";
6283 @}
6284
6285 int main()
6286 @{
6287     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6288     return 0;
6289 @}
6290 @end example
6291
6292 This will produce
6293
6294 @example
6295 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6296 symbol(y))),numeric(-2)))
6297 @end example
6298
6299 If you need an output format that makes it possible to accurately
6300 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6301 object factory, you should consider storing the expression in an
6302 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6303 See the section on archiving for more information.
6304
6305
6306 @subsection Expression input
6307 @cindex input of expressions
6308
6309 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6310 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6311 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6312 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6313 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6314
6315 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6316 list of symbols to be used:
6317
6318 @example
6319 @{
6320     symbol x("x"), y("y");
6321     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6322 @}
6323 @end example
6324
6325 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6326 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6327 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6328 the list it will throw an exception.
6329
6330 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6331
6332 @example
6333 #include <iostream>
6334 #include <string>
6335 #include <stdexcept>
6336 #include <ginac/ginac.h>
6337 using namespace std;
6338 using namespace GiNaC;
6339
6340 int main()
6341 @{
6342     symbol x("x");
6343     string s;
6344
6345     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6346     getline(cin, s);
6347
6348     try @{
6349         ex e(s, lst(x));
6350         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6351         cout << e.diff(x) << ".\n";
6352     @} catch (exception &p) @{
6353         cerr << p.what() << endl;
6354     @}
6355 @}
6356 @end example
6357
6358 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6359 @cindex compiling expressions
6360
6361 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6362 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6363 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6364 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6365 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6366 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6367 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6368 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6369 the numerical evaluation into different execution stages.
6370
6371 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6372 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6373 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6374 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6375 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6376 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6377
6378 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6379
6380 @example
6381     // ...
6382     symbol x("x");
6383     ex myexpr = sin(x) / x;
6384
6385     FUNCP_1P fp;
6386     compile_ex(myexpr, x, fp);
6387
6388     cout << fp(3.2) << endl;
6389     // ...
6390 @end example
6391
6392 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6393 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6394 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6395 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6396
6397 @cindex FUNCP_1P
6398 @cindex FUNCP_2P
6399 @cindex FUNCP_CUBA
6400 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6401 pointer types at the moment:
6402
6403 @example
6404     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6405     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6406     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6407 @end example
6408
6409 @cindex CUBA library
6410 @cindex Monte Carlo integration
6411 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6412 the correct type to be used with the CUBA library
6413 (@uref{http://www.feynarts/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6414 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6415
6416 @cindex compile_ex
6417 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6418
6419 @example
6420     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6421                     const std::string filename = "");
6422     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6423                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6424     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6425                     const std::string filename = "");
6426 @end example
6427
6428 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6429 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6430 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6431 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6432 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6433 deleted.
6434
6435 @cindex link_ex
6436 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6437 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6438 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6439 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6440 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6441 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6442 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6443
6444 @example
6445     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6446     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6447     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6448 @end example
6449
6450 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6451 to be supplied.
6452
6453 The function
6454
6455 @cindex unlink_ex
6456 @example
6457     void unlink_ex(const std::string filename);
6458 @end example
6459
6460 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6461 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6462 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6463 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6464
6465 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6466 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6467 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6468 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6469 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6470 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6471 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6472 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6473
6474 @cindex ginac-excompiler
6475 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6476 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6477 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6478 directory.
6479
6480 @subsection Archiving
6481 @cindex @code{archive} (class)
6482 @cindex archiving
6483
6484 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6485 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6486 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6487 expression a unique name:
6488
6489 @example
6490 #include <fstream>
6491 using namespace std;
6492 #include <ginac/ginac.h>
6493 using namespace GiNaC;
6494
6495 int main()
6496 @{
6497     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6498
6499     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6500     ex bar = foo + 1;
6501
6502     archive a;
6503     a.archive_ex(foo, "foo");
6504     a.archive_ex(bar, "the second one");
6505     // ...
6506 @end example
6507
6508 The archive can then be written to a file:
6509
6510 @example
6511     // ...
6512     ofstream out("foobar.gar");
6513     out << a;
6514     out.close();
6515     // ...
6516 @end example
6517
6518 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6519 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6520
6521 @cindex @command{viewgar}
6522 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6523 the contents of GiNaC archive files:
6524
6525 @example
6526 $ viewgar foobar.gar
6527 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6528 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6529 @end example
6530
6531 The point of writing archive files is of course that they can later be
6532 read in again:
6533
6534 @example
6535     // ...
6536     archive a2;
6537     ifstream in("foobar.gar");
6538     in >> a2;
6539     // ...
6540 @end example
6541
6542 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6543
6544 @example
6545     // ...
6546     lst syms;
6547     syms = x, y;
6548
6549     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6550     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6551
6552     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6553     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6554     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6555 @}
6556 @end example
6557
6558 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6559 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6560 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6561 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6562 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6563 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6564 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6565 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6566
6567 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6568 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6569 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6570 functions that let you access the stored properties:
6571
6572 @example
6573 static void my_print2(const archive_node & n)
6574 @{
6575     string class_name;
6576     n.find_string("class", class_name);
6577     cout << class_name << "(";
6578
6579     archive_node::propinfovector p;
6580     n.get_properties(p);
6581
6582     size_t num = p.size();
6583     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6584         const string &name = p[i].name;
6585         if (name == "class")
6586             continue;
6587         cout << name << "=";
6588
6589         unsigned count = p[i].count;
6590         if (count > 1)
6591             cout << "@{";
6592
6593         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6594             switch (p[i].type) @{
6595                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6596                     bool x;
6597                     n.find_bool(name, x, j);
6598                     cout << (x ? "true" : "false");
6599                     break;
6600                 @}
6601                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6602                     unsigned x;
6603                     n.find_unsigned(name, x, j);
6604                     cout << x;
6605                     break;
6606                 @}
6607                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6608                     string x;
6609                     n.find_string(name, x, j);
6610                     cout << '\"' << x << '\"';
6611                     break;
6612                 @}
6613                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6614                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6615                     my_print2(x);
6616                     break;
6617                 @}
6618             @}
6619
6620             if (j != count-1)
6621                 cout << ",";
6622         @}
6623
6624         if (count > 1)
6625             cout << "@}";
6626
6627         if (i != num-1)
6628             cout << ",";
6629     @}
6630
6631     cout << ")";
6632 @}
6633
6634 int main()
6635 @{
6636     ex e = pow(2, x) - y;
6637     archive ar(e, "e");
6638     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6639     return 0;
6640 @}
6641 @end example
6642
6643 This will produce:
6644
6645 @example
6646 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6647 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6648 overall_coeff=numeric(number="0"))
6649 @end example
6650
6651 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6652 class may change between GiNaC versions.
6653
6654
6655 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6656 @c    node-name, next, previous, up
6657 @chapter Extending GiNaC
6658
6659 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6660 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6661 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6662 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6663 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6664 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6665
6666 @menu
6667 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6668 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6669 * Printing::                         Adding new output formats.
6670 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6671 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6672 @end menu
6673
6674
6675 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6676 @c    node-name, next, previous, up
6677 @section What doesn't belong into GiNaC
6678
6679 @cindex @command{ginsh}
6680 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6681 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6682 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6683 language.  There are no loops or conditional expressions in
6684 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6685 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6686 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6687 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6688 the future.
6689
6690 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6691 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6692 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6693 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6694 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6695 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6696 provided by CLN are much better suited.
6697
6698
6699 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6700 @c    node-name, next, previous, up
6701 @section Symbolic functions
6702
6703 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6704 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6705 two preprocessor macros:
6706
6707 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6708 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6709 @example
6710 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6711 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6712 @end example
6713
6714 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6715 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6716 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6717 @code{function} object that represents your function.
6718
6719 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6720 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6721 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6722 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6723 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6724 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6725 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6726 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6727
6728 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6729 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6730 done our best to avoid macros where we can.)
6731
6732 @subsection A minimal example
6733
6734 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6735 that is not further evaluated:
6736
6737 @example
6738 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6739
6740 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6741 @end example
6742
6743 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6744 in algebraic expressions:
6745
6746 @example
6747 @{
6748     ...
6749     symbol x("x");
6750     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6751     cout << e << endl;
6752      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6753     ...
6754 @}
6755 @end example
6756
6757 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6758 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6759 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6760 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6761
6762 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6763 example of how to make an "intelligent" function.
6764
6765 @subsection The cosine function
6766
6767 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6768
6769 @example
6770 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6771 @end example
6772
6773 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6774 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6775 this function in expressions.
6776
6777 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6778 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6779
6780 @example
6781 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6782                        evalf_func(cos_evalf).
6783                        derivative_func(cos_deriv).
6784                        latex_name("\\cos"));
6785 @end example
6786
6787 There are four options defined for the cosine function. One of them
6788 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6789 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6790 function are defined.
6791
6792 @cindex @code{hold()}
6793 @cindex evaluation
6794 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6795 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6796 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6797 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6798 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6799 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6800 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6801 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6802 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6803 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6804 somewhere.
6805
6806 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6807 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6808 what is going on):
6809
6810 @example
6811 static ex cos_eval(const ex & x)
6812 @{
6813     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6814         return 1;
6815     else if ("x is a multiple of Pi")
6816         return -1;
6817     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6818         return 0;
6819     // more rules...
6820
6821     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6822         return y;
6823     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6824         return sqrt(1-y^2);
6825     // more rules...
6826
6827     else
6828         return cos(x).hold();
6829 @}
6830 @end example
6831
6832 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6833
6834 @example
6835 @{
6836     ...
6837     e = cos(Pi);
6838      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6839      // the actual expression
6840     cout << e << endl;
6841      // prints '-1'
6842     ...
6843 @}
6844 @end example
6845
6846 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6847 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6848 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6849 with @code{.hold()}.
6850
6851 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6852 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6853 different function:
6854
6855 @example
6856 static ex cos_evalf(const ex & x)
6857 @{
6858     if (is_a<numeric>(x))
6859         return cos(ex_to<numeric>(x));
6860     else
6861         return cos(x).hold();
6862 @}
6863 @end example
6864
6865 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6866 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6867 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6868 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6869 function would require it in this place.
6870
6871 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6872 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6873 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6874 @code{ex::diff}):
6875
6876 @example
6877 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6878 @{
6879     return -sin(x);
6880 @}
6881 @end example
6882
6883 @cindex product rule
6884 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6885 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6886 case the function has more than one parameter, and its main application
6887 is for correct handling of the chain rule.
6888
6889 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6890 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6891 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6892 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6893
6894 @example
6895 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6896                      int order, unsigned options)
6897 @{
6898     // Find the actual expansion point
6899     const ex x_pt = x.subs(rel);
6900
6901     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6902         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6903
6904     // On a pole, expand sin()/cos()
6905     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6906 @}
6907 @end example
6908
6909 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6910 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6911
6912 @subsection Function options
6913
6914 GiNaC functions understand several more options which are always
6915 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6916 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6917 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6918 functions without any special options.
6919
6920 @example
6921 eval_func(<C++ function>)
6922 evalf_func(<C++ function>)
6923 derivative_func(<C++ function>)
6924 series_func(<C++ function>)
6925 conjugate_func(<C++ function>)
6926 @end example
6927
6928 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6929 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6930 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6931 @code{diff()} and @code{series()}.
6932
6933 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6934 automatic evaluation is desired or possible.
6935
6936 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6937 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6938 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6939 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6940 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6941 suitable transformation.
6942
6943 @example
6944 latex_name(const string & n)
6945 @end example
6946
6947 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6948 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6949
6950 @example
6951 do_not_evalf_params()
6952 @end example
6953
6954 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6955 function before calling the @code{evalf_func()}.
6956
6957 @example
6958 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6959 @end example
6960
6961 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6962 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6963 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6964 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6965 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6966 commutation properties of their first argument.
6967
6968 @example
6969 set_symmetry(const symmetry & s)
6970 @end example
6971
6972 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6973 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6974 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6975 symmetric functions into a canonical order.
6976
6977 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6978 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6979 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6980 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6981 with the
6982
6983 @example
6984 print_func<C>(<C++ function>)
6985 @end example
6986
6987 option which is explained in the next section.
6988
6989 @subsection Functions with a variable number of arguments
6990
6991 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6992 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6993 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6994 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6995 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6996
6997 It is also possible to define functions that accept a different number of
6998 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6999 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7000 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7001 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7002 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7003 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7004 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7005 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7006
7007
7008 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7009 @c    node-name, next, previous, up
7010 @section GiNaC's expression output system
7011
7012 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7013 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7014 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7015 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7016 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7017 functions.
7018
7019 @cindex @code{print_context} (class)
7020 @cindex @code{print_dflt} (class)
7021 @cindex @code{print_latex} (class)
7022 @cindex @code{print_tree} (class)
7023 @cindex @code{print_csrc} (class)
7024 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7025 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7026 header file:
7027
7028 @table @code
7029 @item print_dflt
7030 the default output format
7031 @item print_latex
7032 output in LaTeX mathematical mode
7033 @item print_tree
7034 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7035 @item print_csrc
7036 the base class for C source output
7037 @item print_csrc_float
7038 C source output using the @code{float} type
7039 @item print_csrc_double
7040 C source output using the @code{double} type
7041 @item print_csrc_cl_N
7042 C source output using CLN types
7043 @end table
7044
7045 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7046
7047 @example
7048 class print_context
7049 @{
7050     ...
7051 public:
7052     std::ostream & s;
7053     unsigned options;
7054 @};
7055 @end example
7056
7057 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7058 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7059 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7060 to print the index dimension which is normally hidden.
7061
7062 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7063 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7064 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7065 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7066
7067 @cindex @code{print()}
7068 @example
7069 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7070 @end example
7071
7072 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7073 top-level algebraic object contained in the expression.
7074
7075 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7076 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7077 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7078 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7079 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7080 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7081 (single) virtual function dispatch.
7082
7083 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7084 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7085 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7086 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7087 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7088 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7089 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7090 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7091 object's class name enclosed in square brackets).
7092
7093 You can think of the print methods of all the different classes and output
7094 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7095 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7096 classes.
7097
7098 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7099 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7100 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7101 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7102 methods at run-time).
7103
7104 @subsection Print methods for classes
7105
7106 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7107 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7108 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7109 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7110 can also be used to override existing methods dynamically.
7111
7112 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7113 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7114 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7115 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7116 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7117 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7118 the class is the one being implemented by
7119 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7120
7121 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7122 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7123 @code{unsigned}.
7124
7125 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7126 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7127 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7128 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7129 private and protected members of @code{T}.
7130
7131 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7132 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7133 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7134 purposes if you write your own output formats.
7135
7136 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7137 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7138 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7139 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7140
7141 @example
7142 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7143                              const print_latex & c,
7144                              unsigned level)
7145 @{
7146     // get the precedence of the 'power' class
7147     unsigned power_prec = p.precedence();
7148
7149     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7150     // we need parentheses around the power
7151     if (level >= power_prec)
7152         c.s << '(';
7153
7154     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7155     // separated by an uparrow
7156     c.s << '@{';
7157     p.op(0).print(c, power_prec);
7158     c.s << "@}\\uparrow@{";
7159     p.op(1).print(c, power_prec);
7160     c.s << '@}';
7161
7162     // don't forget the closing parenthesis
7163     if (level >= power_prec)
7164         c.s << ')';
7165 @}
7166                                                                                 
7167 int main()
7168 @{
7169     // a sample expression
7170     symbol x("x"), y("y");
7171     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7172
7173     // switch to LaTeX mode
7174     cout << latex;
7175
7176     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7177     cout << e << endl;
7178
7179     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7180     // our own one
7181     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7182
7183     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7184     //              \uparrow@{2@}@}"
7185     cout << e << endl;
7186 @}
7187 @end example
7188
7189 Some notes:
7190
7191 @itemize
7192
7193 @item
7194 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7195 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7196
7197 @item
7198 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7199 @code{power} objects for the purpose of printing.
7200
7201 @item
7202 The output of products including negative powers as fractions is also
7203 controlled by the @code{mul} class.
7204
7205 @item
7206 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7207 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7208
7209 @end itemize
7210
7211 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7212 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7213 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7214 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7215 sources, find the method that is installed at startup
7216 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7217 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7218
7219 @subsection Print methods for functions
7220
7221 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7222 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7223 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7224 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7225 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7226
7227 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7228
7229 @example
7230 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7231 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7232                                                                                 
7233 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7234 @{
7235     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7236 @}
7237                                                                                 
7238 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7239 @{
7240     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7241 @}
7242                                                                                 
7243 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7244                        evalf_func(abs_evalf).
7245                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7246                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7247                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7248 @end example
7249
7250 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7251 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7252
7253 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7254
7255 @subsection Adding new output formats
7256
7257 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7258 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7259 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7260 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7261 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7262 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7263 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7264 options value.
7265
7266 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7267
7268 @example
7269 class print_myformat : public print_dflt
7270 @{
7271     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7272 public:
7273     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7274      : print_dflt(os, opt) @{@}
7275 @};
7276
7277 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7278
7279 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7280 @end example
7281
7282 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7283 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7284 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7285 format are implemented as print methods, as described above.
7286
7287 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7288 exactly like GiNaC's default output format:
7289
7290 @example
7291 @{
7292     symbol x("x");
7293     ex e = pow(x, 2) + 1;
7294
7295     // this prints "1+x^2"
7296     cout << e << endl;
7297     
7298     // this also prints "1+x^2"
7299     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7300
7301     ...
7302 @}
7303 @end example
7304
7305 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7306 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7307
7308 @example
7309 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7310 // example above for explanations.
7311 void print_power_as_myformat(const power & p,
7312                              const print_myformat & c,
7313                              unsigned level)
7314 @{
7315     unsigned power_prec = p.precedence();
7316     if (level >= power_prec)
7317         c.s << '(';
7318     p.op(0).print(c, power_prec);
7319     c.s << "**";
7320     p.op(1).print(c, power_prec);
7321     if (level >= power_prec)
7322         c.s << ')';
7323 @}
7324
7325 @{
7326     ...
7327     // install a new print method for power objects
7328     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7329
7330     // now this prints "1+x**2"
7331     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7332
7333     // but the default format is still "1+x^2"
7334     cout << e << endl;
7335 @}
7336 @end example
7337
7338
7339 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7340 @c    node-name, next, previous, up
7341 @section Structures
7342
7343 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7344 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7345 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7346 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7347 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7348
7349 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7350 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7351 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7352 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7353 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7354 read both sections because many common concepts and member functions are
7355 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7356 is most suited to your needs.
7357
7358 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7359 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7360 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7361
7362 @subsection Example: scalar products
7363
7364 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7365 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7366 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7367 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7368 product in a C++ @code{struct}:
7369
7370 @example
7371 #include <iostream>
7372 using namespace std;
7373
7374 #include <ginac/ginac.h>
7375 using namespace GiNaC;
7376
7377 struct sprod_s @{
7378     ex left, right;
7379
7380     sprod_s() @{@}
7381     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7382 @};
7383 @end example
7384
7385 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7386 data structure, we need only one line:
7387
7388 @example
7389 typedef structure<sprod_s> sprod;
7390 @end example
7391
7392 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7393 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7394 expressions like any other GiNaC class:
7395
7396 @example
7397 ...
7398     symbol a("a"), b("b");
7399     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7400 ...
7401 @end example
7402
7403 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7404 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7405 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7406 constructed from an @code{sprod_s} object.
7407
7408 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7409 you could define a little wrapper function like this:
7410
7411 @example
7412 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7413 @{
7414     return sprod(sprod_s(left, right));
7415 @}
7416 @end example
7417
7418 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7419 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7420 @code{get_struct()}:
7421
7422 @example
7423 ...
7424     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7425      // -> a
7426     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7427      // -> b
7428 ...
7429 @end example
7430
7431 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7432
7433 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7434 that deal with scalar products, for example:
7435
7436 @example
7437 ex swap_sprod(ex p)
7438 @{
7439     if (is_a<sprod>(p)) @{
7440         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7441         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7442     @} else
7443         return p;
7444 @}
7445
7446 ...
7447     f = swap_sprod(e);
7448      // f is now <b|a>
7449 ...
7450 @end example
7451
7452 @subsection Structure output
7453
7454 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7455 desired, most notably proper output:
7456
7457 @example
7458 ...
7459     cout << e << endl;
7460      // -> [structure object]
7461 ...
7462 @end example
7463
7464 By default, any structure types you define will be printed as
7465 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7466 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7467 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7468 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7469 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7470 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7471
7472 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7473 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7474
7475 @example
7476 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7477 @{
7478     // tree debug output handled by superclass
7479     if (is_a<print_tree>(c))
7480         inherited::print(c, level);
7481
7482     // get the contained sprod_s object
7483     const sprod_s & sp = get_struct();
7484
7485     // print_context::s is a reference to an ostream
7486     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7487 @}
7488 @end example
7489
7490 Now we can print expressions containing scalar products:
7491
7492 @example
7493 ...
7494     cout << e << endl;
7495      // -> <a|b>
7496     cout << swap_sprod(e) << endl;
7497      // -> <b|a>
7498 ...
7499 @end example
7500
7501 @subsection Comparing structures
7502
7503 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7504 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7505 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7506 and undesired behavior:
7507
7508 @example
7509 ...
7510     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7511      // -> 0
7512     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7513      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7514 ...
7515 @end example
7516
7517 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7518 for objects of type @code{sprod_s}:
7519
7520 @example
7521 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7522 @{
7523     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7524 @}
7525
7526 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7527 @{
7528     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7529            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7530 @}
7531 @end example
7532
7533 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7534 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7535 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7536 in the implementation of these operators because they would construct
7537 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7538 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7539 decide which one is algebraically 'less').
7540
7541 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7542 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7543
7544 @example
7545 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7546 @end example
7547
7548 @code{sprod} objects then behave as expected:
7549
7550 @example
7551 ...
7552     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7553      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7554     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7555      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7556     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7557      // -> 0
7558     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7559      // -> 2*<a|b>
7560 ...
7561 @end example
7562
7563 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7564 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7565 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7566 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7567 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7568 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7569
7570 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7571 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7572 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7573 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7574 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7575 undefined value) that the @code{T} class might have.
7576
7577 @subsection Subexpressions
7578
7579 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7580 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7581 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7582
7583 @example
7584 size_t sprod::nops() const
7585 @{
7586     return 2;
7587 @}
7588
7589 ex sprod::op(size_t i) const
7590 @{
7591     switch (i) @{
7592     case 0:
7593         return get_struct().left;
7594     case 1:
7595         return get_struct().right;
7596     default:
7597         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7598     @}
7599 @}
7600 @end example
7601
7602 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7603 @code{sprod} has two other nice side effects:
7604
7605 @itemize @bullet
7606 @item
7607 @code{has()} works as expected
7608 @item
7609 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7610 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7611 @end itemize
7612
7613 @cindex @code{let_op()}
7614 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7615 allows replacing subexpressions:
7616
7617 @example
7618 ex & sprod::let_op(size_t i)
7619 @{
7620     // every non-const member function must call this
7621     ensure_if_modifiable();
7622
7623     switch (i) @{
7624     case 0:
7625         return get_struct().left;
7626     case 1:
7627         return get_struct().right;
7628     default:
7629         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7630     @}
7631 @}
7632 @end example
7633
7634 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7635 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7636 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7637 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7638
7639 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7640 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7641 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7642 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7643 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7644 This is left as an exercise for the reader.
7645
7646 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7647 you can override by specialization to customize the behavior of your
7648 structures. You are referred to the next section for a description of
7649 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7650 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7651 @code{structure<T>} template: archiving.
7652
7653 @subsection Archiving structures
7654
7655 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7656 should first read the next section and then come back here. You're back?
7657 Good.
7658
7659 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7660 specializations for the @code{archive()} member function and the
7661 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7662 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7663 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7664 the class of an object is stored as a string, the class name.
7665
7666 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7667 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7668 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7669 need to provide a different name for each by specializing the
7670 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7671 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7672
7673 @example
7674 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7675
7676 void sprod::archive(archive_node & n) const
7677 @{
7678     inherited::archive(n);
7679     n.add_ex("left", get_struct().left);
7680     n.add_ex("right", get_struct().right);
7681 @}
7682
7683 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7684 @{
7685     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7686     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7687 @}
7688 @end example
7689
7690 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7691 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7692 @code{sprod::unarchive()} function.
7693
7694
7695 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7696 @c    node-name, next, previous, up
7697 @section Adding classes
7698
7699 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7700 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7701 severe of which being that you can't add any new member functions to
7702 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7703 from scratch.
7704
7705 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7706 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7707 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7708 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7709 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7710 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7711 representing tensor products is more involved but this section should give
7712 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7713 classes if you want to implement something more complicated.
7714
7715 @subsection GiNaC's run-time type information system
7716
7717 @cindex hierarchy of classes
7718 @cindex RTTI
7719 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7720 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7721 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7722 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7723 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7724 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7725 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7726 system that provides this kind of information is called a run-time type
7727 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7728 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7729 implements its own, simpler RTTI.
7730
7731 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7732
7733 @itemize @bullet
7734
7735 @item
7736 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7737 holds a variable of @code{tinfo_t} type (which is actually just
7738 @code{const void*}) that identifies the object's class.
7739
7740 @item
7741 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7742 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7743 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7744 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7745 @file{registrar.h} header file.
7746
7747 @end itemize
7748
7749 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7750 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7751 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7752 macros.
7753
7754 @subsection A minimalistic example
7755
7756 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7757 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7758 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7759 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7760 for your own classes.
7761
7762 The code snippets given here assume that you have included some header files
7763 as follows:
7764
7765 @example
7766 #include <iostream>
7767 #include <string>   
7768 #include <stdexcept>
7769 using namespace std;
7770
7771 #include <ginac/ginac.h>
7772 using namespace GiNaC;
7773 @end example
7774
7775 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7776 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7777 object from a C or C++ string:
7778
7779 @example
7780 class mystring : public basic
7781 @{
7782     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7783   
7784 public:
7785     mystring(const string &s);
7786     mystring(const char *s);
7787
7788 private:
7789     string str;
7790 @};
7791
7792 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7793 @end example
7794
7795 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7796 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7797 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7798 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7799 the first line after the opening brace of the class definition. The
7800 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7801 source (at global scope, of course, not inside a function).
7802
7803 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7804 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7805 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7806 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7807 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7808 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7809 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7810 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7811
7812 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7813 class:
7814
7815 @itemize
7816
7817 @item
7818 @code{mystring()}, the default constructor.
7819
7820 @item
7821 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7822 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7823 @code{archive_node}.
7824
7825 @item
7826 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7827 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7828 found in an @code{archive_node}.
7829
7830 @item
7831 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7832 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7833 constructor.
7834
7835 @item
7836 @cindex @code{compare_same_type()}
7837 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7838 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7839 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7840 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7841 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7842 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7843 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7844 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7845 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7846 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7847 defined.
7848
7849 @item
7850 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7851 which are the two constructors we declared.
7852
7853 @end itemize
7854
7855 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7856
7857 @example
7858 mystring::mystring() : inherited(&mystring::tinfo_static) @{@}
7859 @end example
7860
7861 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7862 @code{tinfo_key} member to the @code{&your_class_name::tinfo_static}
7863 @footnote{Each GiNaC class has a static member called tinfo_static.
7864 This member is declared by the GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS macros
7865 and defined by the GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS macros.}. Otherwise
7866 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7867 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7868 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7869 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7870 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7871 to the right value manually.
7872
7873 In the default constructor you should set all other member variables to
7874 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7875 member gets set to an empty string automatically).
7876
7877 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7878 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7879 is really simple.  First, the archiving function:
7880
7881 @example
7882 void mystring::archive(archive_node &n) const
7883 @{
7884     inherited::archive(n);
7885     n.add_string("string", str);
7886 @}
7887 @end example
7888
7889 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7890 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7891 deem necessary for representing the object into the passed
7892 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7893 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7894 file.
7895
7896 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7897 function:
7898
7899 @example
7900 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7901 @{
7902     n.find_string("string", str);
7903 @}
7904 @end example
7905
7906 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7907 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7908 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7909 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7910
7911 Finally, the unarchiving function:
7912
7913 @example
7914 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7915 @{
7916     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7917 @}
7918 @end example
7919
7920 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7921 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7922 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7923 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7924 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7925 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7926 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7927 automatically once it is no longer referenced.
7928
7929 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7930 the string members:
7931
7932 @example
7933 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7934 @{
7935     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7936     int cmpval = str.compare(o.str);
7937     if (cmpval == 0)
7938         return 0;
7939     else if (cmpval < 0)
7940         return -1;
7941     else
7942         return 1;
7943 @}
7944 @end example
7945
7946 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7947 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7948 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7949 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7950 all relevant member variables.
7951
7952 Now the only thing missing is our two new constructors:
7953
7954 @example
7955 mystring::mystring(const string &s) : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
7956 mystring::mystring(const char *s) : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
7957 @end example
7958
7959 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7960 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7961
7962 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7963 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7964
7965 @example
7966 ex e = mystring("Hello, world!");
7967 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7968  // -> 1 (true)
7969
7970 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7971  // -> mystring
7972 @end example
7973
7974 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7975
7976 @example
7977 cout << e << endl;
7978  // -> [mystring object]
7979 @end example
7980
7981 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7982 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7983 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7984 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7985 surrounded by double quotes:
7986
7987 @example
7988 class mystring : public basic
7989 @{
7990     ...
7991 protected:
7992     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7993     ...
7994 @};
7995
7996 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7997 @{
7998     // print_context::s is a reference to an ostream
7999     c.s << '\"' << str << '\"';
8000 @}
8001 @end example
8002
8003 The @code{level} argument is only required for container classes to
8004 correctly parenthesize the output.
8005
8006 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8007 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8008 replace the line
8009
8010 @example
8011 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8012 @end example
8013
8014 with
8015
8016 @example
8017 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8018   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8019 @end example
8020
8021 Let's try again to print the expression:
8022
8023 @example
8024 cout << e << endl;
8025  // -> "Hello, world!"
8026 @end example
8027
8028 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8029 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8030 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8031 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8032 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8033 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8034 way expression output is implemented in GiNaC.
8035
8036 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8037
8038 @example
8039 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8040 cout << e << endl;
8041  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8042 @end example
8043
8044 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8045
8046 @example
8047 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8048 cout << e << endl;
8049  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8050 @end example
8051
8052 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8053 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8054 for your objects.
8055
8056 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8057
8058 @example
8059 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8060 cout << e << endl;
8061  // -> "Wow"^2
8062
8063 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8064 cout << e.expand() << endl;
8065  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8066 @end example
8067
8068 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8069 concatenation. You would have to implement this yourself.
8070
8071 @subsection Automatic evaluation
8072
8073 @cindex evaluation
8074 @cindex @code{eval()}
8075 @cindex @code{hold()}
8076 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8077 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8078 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8079 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8080 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8081 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8082
8083 @example
8084 class mystring : public basic
8085 @{
8086     ...
8087 public:
8088     ex eval(int level = 0) const;
8089     ...
8090 @};
8091
8092 ex mystring::eval(int level) const
8093 @{
8094     string new_str;
8095     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8096         char c = str[i];
8097         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8098             new_str += tolower(c);
8099         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8100             new_str += c;
8101     @}
8102
8103     if (new_str.length() == 0)
8104         return 0;
8105     else
8106         return mystring(new_str).hold();
8107 @}
8108 @end example
8109
8110 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8111 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8112 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8113 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8114 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8115 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8116 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8117 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8118
8119 Let's confirm that it works:
8120
8121 @example
8122 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8123 cout << e << endl;
8124  // -> "helloworld"
8125
8126 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8127 cout << e << endl;
8128  // -> 3*"wow"
8129 @end example
8130
8131 @subsection Optional member functions
8132
8133 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8134 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8135 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8136
8137 @cindex @code{calchash()}
8138 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8139 @example
8140 unsigned calchash() const;
8141 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8142 @end example
8143
8144 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8145 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8146 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8147 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8148 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8149 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8150
8151 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8152 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8153 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8154 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8155
8156 @subsection Other member functions
8157
8158 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8159 might want to provide:
8160
8161 @example
8162 bool info(unsigned inf) const;
8163 ex evalf(int level = 0) const;
8164 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8165 ex derivative(const symbol & s) const;
8166 @end example
8167
8168 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8169 previous section) you will probably want to override
8170
8171 @cindex @code{let_op()}
8172 @example
8173 size_t nops() cont;
8174 ex op(size_t i) const;
8175 ex & let_op(size_t i);
8176 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8177 ex map(map_function & f) const;
8178 @end example
8179
8180 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8181 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8182 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8183
8184 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8185 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8186 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8187 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8188 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8189 should become a need.
8190
8191 That's it. May the source be with you!
8192
8193 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8194
8195 If you got some extension classes for GiNaC 1.3.X some changes are
8196 necessary in order to make your code work with GiNaC 1.4.
8197
8198 @itemize @bullet
8199 @item constructors which set @code{tinfo_key} such as
8200
8201 @example
8202 myclass::myclass() : inherited(TINFO_myclass) @{@}
8203 @end example
8204
8205 need to be rewritten as
8206
8207 @example
8208 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8209 @end example
8210
8211 @item TINO_myclass is not necessary any more and can be removed.
8212
8213 @end itemize
8214
8215
8216 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8217 @c    node-name, next, previous, up
8218 @chapter A Comparison With Other CAS
8219 @cindex advocacy
8220
8221 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8222 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8223 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8224 disadvantages over these systems.
8225
8226 @menu
8227 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8228 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8229 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8230 @end menu
8231
8232 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8233 @c    node-name, next, previous, up
8234 @section Advantages
8235
8236 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8237 Algebra Systems, like 
8238
8239 @itemize @bullet
8240
8241 @item
8242 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8243 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8244 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8245 in common C++, which is standardized.
8246
8247 @cindex STL
8248 @item
8249 structured data types: you can build up structured data types using
8250 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8251 using unnamed lists of lists of lists.
8252
8253 @item
8254 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8255 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8256 nice for novice programmers, but dangerous.
8257     
8258 @item
8259 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8260 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8261 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8262
8263 @item
8264 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8265 separating interface and implementation.
8266
8267 @item
8268 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8269 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8270 C++-compilers for free, too.
8271     
8272 @item
8273 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8274 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8275 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8276 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8277 fix bugs in a traditional system.
8278
8279 @item
8280 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8281 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8282 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8283 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8284 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8285 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8286 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8287 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8288 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8289 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8290 FTP-site.
8291
8292 @item
8293 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8294 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8295 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8296 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8297 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8298 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8299 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8300 system (i.e. @emph{Yacas}).
8301
8302 @item
8303 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8304 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8305 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8306 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8307 speed with other CAS.
8308
8309 @end itemize
8310
8311
8312 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8313 @c    node-name, next, previous, up
8314 @section Disadvantages
8315
8316 Of course it also has some disadvantages:
8317
8318 @itemize @bullet
8319
8320 @item
8321 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8322 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8323 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8324 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8325 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8326 not planned for the near future).
8327
8328 @item
8329 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8330 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8331 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8332 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8333 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8334 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8335 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8336 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8337 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8338 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8339 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8340 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8341 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8342 yet ANSI compliant, support all needed features.
8343     
8344 @end itemize
8345
8346
8347 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8348 @c    node-name, next, previous, up
8349 @section Why C++?
8350
8351 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8352 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8353 possible), separation between interface and implementation is not
8354 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8355 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8356 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8357 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8358 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8359 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8360 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8361 any other programming language.
8362
8363
8364 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8365 @c    node-name, next, previous, up
8366 @appendix Internal structures
8367
8368 @menu
8369 * Expressions are reference counted::
8370 * Internal representation of products and sums::
8371 @end menu
8372
8373 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8374 @c    node-name, next, previous, up
8375 @appendixsection Expressions are reference counted
8376
8377 @cindex reference counting
8378 @cindex copy-on-write
8379 @cindex garbage collection
8380 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8381 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8382 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8383 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8384 skip the rest of this passage.
8385
8386 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8387 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8388 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8389 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8390 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8391 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8392 of code:
8393
8394 @example
8395 #include <iostream>
8396 #include <ginac/ginac.h>
8397 using namespace std;
8398 using namespace GiNaC;
8399
8400 int main()
8401 @{
8402     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8403     ex e1, e2;
8404
8405     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8406     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8407     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8408     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8409     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8410 @}
8411 @end example
8412
8413 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8414 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8415 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8416 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8417 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8418 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8419 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8420 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8421 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8422 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8423 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8424 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8425 can be:
8426
8427 @example
8428 @{
8429     symbol x("x"), y("y");
8430
8431     ex e1 = x + 3*y;
8432     ex e2 = pow(e1, 3);
8433     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8434     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8435          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8436          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8437 @}
8438 @end example
8439
8440 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8441 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8442 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8443 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8444 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8445 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8446 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8447 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8448 @code{3*e1^2}.
8449
8450 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8451 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8452 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8453 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8454 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8455 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8456 semantics, we recommend you have a look at the
8457 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8458 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8459 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8460
8461
8462 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8463 @c    node-name, next, previous, up
8464 @appendixsection Internal representation of products and sums
8465
8466 @cindex representation
8467 @cindex @code{add}
8468 @cindex @code{mul}
8469 @cindex @code{power}
8470 Although it should be completely transparent for the user of
8471 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8472 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8473 unexpanded symbolic expression 
8474 @tex
8475 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8476 @end tex
8477 @ifnottex
8478 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8479 @end ifnottex
8480 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8481 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8482 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8483 fashion:
8484
8485 @image{repnaive}
8486
8487 @cindex pair-wise representation
8488 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8489 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8490 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8491 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8492 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8493 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8494 becomes much more flat:
8495
8496 @image{reppair}
8497
8498 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8499 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8500 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8501 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8502 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8503 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8504 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8505 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8506 representation, however, since they are still carrying a trivial
8507 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8508 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8509 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8510 representation for
8511 @tex
8512 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8513 @end tex
8514 @ifnottex
8515 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8516 @end ifnottex
8517
8518 @image{repreal}
8519
8520 @cindex radical
8521 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8522 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8523 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8524 same abstract class: the data representation is the same, only the
8525 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8526 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8527 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8528
8529
8530 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8531 @c    node-name, next, previous, up
8532 @appendix Package tools
8533
8534 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8535 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8536 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8537 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8538 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8539 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8540 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8541 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8542 @example
8543 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8544 @end example
8545
8546 This command line might expand to (for example):
8547 @example
8548 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8549 @end example
8550
8551 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8552 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8553
8554 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8555 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8556 checking for libraries
8557
8558 @example
8559 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8560                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8561                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8562 @end example
8563
8564 This macro:
8565
8566 @itemize @bullet
8567
8568 @item
8569 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8570 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8571 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8572
8573 @item
8574 Tests the installed libraries to make sure that their version
8575 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8576
8577 @item
8578 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8579 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8580 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8581 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8582 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8583
8584 @item
8585 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8586
8587 @end itemize
8588
8589 @menu
8590 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8591 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8592 @end menu
8593
8594
8595 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8596 @c    node-name, next, previous, up
8597 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8598
8599 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8600 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8601 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8602 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8603 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8604
8605 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8606 system.
8607
8608 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8609 the linkers where to find the library one should
8610
8611 @itemize @bullet
8612 @item
8613 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8614 @example
8615 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8616 # ldconfig
8617 @end example
8618
8619 @item
8620 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8621 @example
8622 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8623 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8624 @end example
8625
8626 @item
8627 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8628 for instance:
8629
8630 @example
8631 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8632 @end example
8633 @end itemize
8634
8635 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8636 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8637 @example
8638 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8639 @end example
8640
8641 Finally, run the @command{configure} script
8642 @example
8643 $ ./configure 
8644 @end example
8645
8646 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8647
8648 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8649 @c    node-name, next, previous, up
8650 @subsection Example of a package using GiNaC
8651
8652 The following shows how to build a simple package using automake
8653 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8654
8655 @example
8656 #include <iostream>
8657 #include <ginac/ginac.h>
8658
8659 int main()
8660 @{
8661     GiNaC::symbol x("x");
8662     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8663     std::cout << "Derivative of " << a 
8664               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8665     return 0;
8666 @}
8667 @end example
8668
8669 You should first read the introductory portions of the automake
8670 Manual, if you are not already familiar with it.
8671
8672 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8673 configure script:
8674
8675 @example
8676 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8677 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8678 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8679 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8680
8681 AC_PROG_CXX
8682 AC_PROG_INSTALL
8683 AC_LANG([C++])
8684
8685 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8686
8687 AC_OUTPUT(Makefile)
8688 @end example
8689
8690 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8691 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8692 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8693 @example
8694 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8695
8696 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8697
8698 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8699 installed software in a non-standard prefix.
8700
8701 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8702 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8703 See the pkg-config man page for more details.
8704 @end example
8705
8706 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8707
8708 @example
8709 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8710 bin_PROGRAMS = simple
8711 simple_SOURCES = simple.cpp
8712 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8713 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8714 @end example
8715
8716 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8717 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8718 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8719 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8720 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8721 basis.
8722
8723 To try this example out, create a new directory and add the three
8724 files above to it.
8725
8726 Now execute the following command:
8727
8728 @example
8729 $ autoreconf -i
8730 @end example
8731
8732 You now have a package that can be built in the normal fashion
8733
8734 @example
8735 $ ./configure
8736 $ make
8737 $ make install
8738 @end example
8739
8740
8741 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8742 @c    node-name, next, previous, up
8743 @appendix Bibliography
8744
8745 @itemize @minus{}
8746
8747 @item
8748 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8749
8750 @item
8751 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8752
8753 @item
8754 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8755
8756 @item
8757 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8758
8759 @item
8760 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8761 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8762
8763 @item
8764 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8765 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8766 Academic Press, London
8767
8768 @item
8769 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8770 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8771
8772 @item
8773 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8774 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8775
8776 @item
8777 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8778 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8779
8780 @item
8781 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8782
8783 @end itemize
8784
8785
8786 @node Concept index, , Bibliography, Top
8787 @c    node-name, next, previous, up
8788 @unnumbered Concept index
8789
8790 @printindex cp
8791
8792 @bye