]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Updated developer listing.
[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) 1999-2006 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2006 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal structures::          Description of some internal structures.
89 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2006 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  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{autogen.sh} script.  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                                 bool anticommuting = false);    
3305 @end example
3306
3307 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3308 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3309 @code{idx} as well.
3310 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3311 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3312 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3313 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3314 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3315 @code{op(0)} will be used.
3316 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3317 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3318 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3319 assumption (i.e.
3320 @tex
3321 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3322 @end tex
3323 @ifnottex
3324 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3325 @end ifnottex
3326 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3327 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3328 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3329 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3330 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3331
3332 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3333 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3334 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3335 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3336 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3337 Clifford number.
3338 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3339 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3340 @code{anticommuting} property of a unit.
3341
3342 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3343 the Clifford algebra units with a call like that
3344
3345 @example
3346     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3347 @end example
3348
3349 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3350 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3351 automatically. 
3352
3353 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3354 ways. For example 
3355
3356 @example
3357 @{
3358     ... 
3359     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3360     realsymbol s("s");
3361     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3362     ex e = clifford_unit(nu, M);
3363     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3364     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3365     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3366     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3367     ...
3368 @}
3369 @end example
3370
3371 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3372 @tex
3373 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3374 @end tex
3375 @ifnottex
3376 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3377 @code{pow(e3, 2) = s}.
3378 @end ifnottex
3379
3380 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3381 A similar effect can be achieved from the function
3382
3383 @example
3384     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3385                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3386     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3387 @end example
3388
3389 which converts a list or vector 
3390 @tex
3391 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3392 @end tex
3393 @ifnottex
3394 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3395 @end ifnottex
3396 into the
3397 Clifford number 
3398 @tex
3399 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3400 @end tex
3401 @ifnottex
3402 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3403 @end ifnottex
3404 with @samp{e.k}
3405 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3406 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3407 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3408 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3409
3410 @example
3411 @{
3412     ...
3413     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3414     realsymbol s("s");
3415     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3416     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3417     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3418     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3419     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3420   ...
3421 @}
3422 @end example
3423
3424 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3425 There is the inverse function 
3426
3427 @example
3428     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3429 @end example
3430
3431 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3432 @tex
3433 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3434 @end tex
3435 @ifnottex
3436 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3437 @end ifnottex
3438 such that 
3439 @tex
3440 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3441 @end tex
3442 @ifnottex
3443 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3444 @end ifnottex
3445 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3446 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3447 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3448 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3449 @tex
3450 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3451 @end tex
3452 @ifnottex
3453 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3454 @end ifnottex
3455 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3456 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3457 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3458
3459 @cindex @code{clifford_prime()}
3460 @cindex @code{clifford_star()}
3461 @cindex @code{clifford_bar()}
3462 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3463
3464 @example
3465     ex clifford_prime(const ex & e)
3466     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3467     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3468 @end example
3469
3470 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3471 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3472 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3473 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3474 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3475 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3476 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3477 in a product. These functions correspond to the notations
3478 @math{e'},
3479 @tex
3480 $e^*$
3481 @end tex
3482 @ifnottex
3483 e*
3484 @end ifnottex
3485 and
3486 @tex
3487 $\overline{e}$
3488 @end tex
3489 @ifnottex
3490 @code{\bar@{e@}}
3491 @end ifnottex
3492 used in Clifford algebra textbooks.
3493
3494 @cindex @code{clifford_norm()}
3495 The function
3496
3497 @example
3498     ex clifford_norm(const ex & e);
3499 @end example
3500
3501 @cindex @code{clifford_inverse()}
3502 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3503 @tex
3504 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3505 @end tex
3506 @ifnottex
3507 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3508 @end ifnottex
3509  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3510
3511 @example
3512     ex clifford_inverse(const ex & e);
3513 @end example
3514
3515 which calculates it as 
3516 @tex
3517 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3518 @end tex
3519 @ifnottex
3520 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3521 @end ifnottex
3522  If
3523 @tex
3524 $||e|| = 0$
3525 @end tex
3526 @ifnottex
3527 @math{||e||=0}
3528 @end ifnottex
3529 then an exception is raised.
3530
3531 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3532 If a Clifford number happens to be a factor of
3533 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3534 expression by the function
3535
3536 @example
3537     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3538 @end example
3539
3540 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3541 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3542 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3543
3544 The next provided function is
3545
3546 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3547 @example
3548     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3549                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3550                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3551     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3552                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3553 @end example 
3554
3555 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3556 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3557 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3558 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3559 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3560 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are
3561 ignored even if supplied.  Depending from the type of @code{v} the
3562 returned value of this function is either a vector or a list holding vector's
3563 components.
3564
3565 @cindex @code{clifford_max_label()}
3566 Finally the function
3567
3568 @example
3569 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3570 @end example
3571
3572 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3573 such objects are found it returns the maximal
3574 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3575 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3576 be ignored during the search.
3577  
3578 LaTeX output for Clifford units looks like
3579 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3580 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3581 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3582 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3583 @example
3584     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3585 @end example
3586 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3587 @example
3588     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3589 @end example
3590 prints units with @code{representation_label=0} as 
3591 @tex
3592 $e$,
3593 @end tex
3594 @ifnottex
3595 @code{e},
3596 @end ifnottex
3597 with @code{representation_label=1} as 
3598 @tex
3599 $\tilde{e}$
3600 @end tex
3601 @ifnottex
3602 @code{\tilde@{e@}}
3603 @end ifnottex
3604  and with @code{representation_label=2} as 
3605 @tex
3606 $\breve{e}$.
3607 @end tex
3608 @ifnottex
3609 @code{\breve@{e@}}.
3610 @end ifnottex
3611
3612 @cindex @code{color} (class)
3613 @subsection Color algebra
3614
3615 @cindex @code{color_T()}
3616 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3617 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3618 elements @math{T_a} are constructed by the function
3619
3620 @example
3621 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3622 @end example
3623
3624 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3625 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3626 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3627 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3628 not @code{varidx}.
3629
3630 @cindex @code{color_ONE()}
3631 The unity element of a color algebra is constructed by
3632
3633 @example
3634 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3635 @end example
3636
3637 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3638 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3639 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3640 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3641 GiNaC may produce incorrect results.
3642
3643 @cindex @code{color_d()}
3644 @cindex @code{color_f()}
3645 The functions
3646
3647 @example
3648 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3649 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3650 @end example
3651
3652 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3653 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3654 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3655
3656 These functions evaluate to their numerical values,
3657 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3658 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3659 goes along better with the notations used in physical literature.
3660
3661 @cindex @code{color_h()}
3662 There's an additional function
3663
3664 @example
3665 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3666 @end example
3667
3668 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3669
3670 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3671 expressions containing color objects:
3672
3673 @example
3674 @{
3675     ...
3676     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3677         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3678
3679     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3680     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3681      // -> 0
3682
3683     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3684     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3685      // -> 5/3*delta.k.l
3686
3687     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3688     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3689      // -> 3*delta.k.l
3690
3691     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3692     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3693      // -> -32/3
3694
3695     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3696     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3697      // -> -2/3*T.a
3698
3699     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3700     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3701      // -> -8/9*ONE
3702
3703     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3704     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3705      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3706     ...
3707 @end example
3708
3709 @cindex @code{color_trace()}
3710 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3711 of the functions
3712
3713 @example
3714 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3715 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3716 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3717 @end example
3718
3719 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3720 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3721 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3722 example:
3723
3724 @example
3725     ...
3726     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3727     cout << e << endl;
3728      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3729 @}
3730 @end example
3731
3732
3733 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3734 @c    node-name, next, previous, up
3735 @section Hash Maps
3736 @cindex hash maps
3737 @cindex @code{exhashmap} (class)
3738
3739 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3740 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3741 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3742 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3743
3744 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3745 following differences:
3746
3747 @itemize @bullet
3748 @item
3749 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3750 @item
3751 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3752 @item 
3753 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3754 @item
3755 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3756 @code{ex_is_less}
3757 @item
3758 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3759 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3760 larger than the specified value)
3761 @item
3762 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3763 table
3764 @item 
3765 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3766 @end itemize
3767
3768
3769 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3770 @c    node-name, next, previous, up
3771 @chapter Methods and functions
3772 @cindex polynomial
3773
3774 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3775 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3776 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3777 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3778 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3779 example:
3780
3781 @example
3782     ...
3783     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3784     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3785     ...
3786 @end example
3787
3788 @cindex @code{subs()}
3789 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3790 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3791 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3792 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3793 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3794 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3795 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3796 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3797 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3798 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3799 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3800 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3801 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3802 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3803 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3804 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3805 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3806 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3807 avoided.
3808
3809 @menu
3810 * Information about expressions::
3811 * Numerical evaluation::
3812 * Substituting expressions::
3813 * Pattern matching and advanced substitutions::
3814 * Applying a function on subexpressions::
3815 * Visitors and tree traversal::
3816 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3817 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3818 * Symbolic differentiation::
3819 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3820 * Symmetrization::
3821 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3822 * Multiple polylogarithms::
3823 * Complex expressions::
3824 * Solving linear systems of equations::
3825 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3826 @end menu
3827
3828
3829 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3830 @c    node-name, next, previous, up
3831 @section Getting information about expressions
3832
3833 @subsection Checking expression types
3834 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3835 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3836 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3837 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3838 @cindex @code{info()}
3839 @cindex @code{return_type()}
3840 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3841
3842 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3843 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3844 GiNaC provides a couple of functions for this:
3845
3846 @example
3847 bool is_a<T>(const ex & e);
3848 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3849 bool ex::info(unsigned flag);
3850 unsigned ex::return_type() const;
3851 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3852 @end example
3853
3854 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3855 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3856 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3857 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3858
3859 @example
3860 @{
3861     @dots{}
3862     if (is_a<numeric>(e))
3863         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3864     @dots{}
3865 @}
3866 @end example
3867
3868 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3869 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3870 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3871 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3872
3873 @example
3874 @{
3875     symbol x("x");
3876     ex e1 = 42;
3877     ex e2 = 4*x - 3;
3878     is_a<numeric>(e1);  // true
3879     is_a<numeric>(e2);  // false
3880     is_a<add>(e1);      // false
3881     is_a<add>(e2);      // true
3882     is_a<mul>(e1);      // false
3883     is_a<mul>(e2);      // false
3884 @}
3885 @end example
3886
3887 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3888 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3889 class @samp{T}, not including parent classes.
3890
3891 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3892 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3893 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3894 table:
3895
3896 @cartouche
3897 @multitable @columnfractions .30 .70
3898 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3899 @item @code{numeric}
3900 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3901 @item @code{real}
3902 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3903 @item @code{rational}
3904 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3905 @item @code{integer}
3906 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3907 @item @code{crational}
3908 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3909 @item @code{cinteger}
3910 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3911 @item @code{positive}
3912 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3913 @item @code{negative}
3914 @tab @dots{}not complex and less than 0
3915 @item @code{nonnegative}
3916 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3917 @item @code{posint}
3918 @tab @dots{}an integer greater than 0
3919 @item @code{negint}
3920 @tab @dots{}an integer less than 0
3921 @item @code{nonnegint}
3922 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3923 @item @code{even}
3924 @tab @dots{}an even integer
3925 @item @code{odd}
3926 @tab @dots{}an odd integer
3927 @item @code{prime}
3928 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3929 @item @code{relation}
3930 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3931 @item @code{relation_equal}
3932 @tab @dots{}a @code{==} relation
3933 @item @code{relation_not_equal}
3934 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3935 @item @code{relation_less}
3936 @tab @dots{}a @code{<} relation
3937 @item @code{relation_less_or_equal}
3938 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3939 @item @code{relation_greater}
3940 @tab @dots{}a @code{>} relation
3941 @item @code{relation_greater_or_equal}
3942 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3943 @item @code{symbol}
3944 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3945 @item @code{list}
3946 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3947 @item @code{polynomial}
3948 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3949 @item @code{integer_polynomial}
3950 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3951 @item @code{cinteger_polynomial}
3952 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3953 @item @code{rational_polynomial}
3954 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3955 @item @code{crational_polynomial}
3956 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3957 @item @code{rational_function}
3958 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3959 @item @code{algebraic}
3960 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3961 @end multitable
3962 @end cartouche
3963
3964 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3965 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3966 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3967 for an explanation of these.
3968
3969
3970 @subsection Accessing subexpressions
3971 @cindex container
3972
3973 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3974 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3975 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3976 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3977
3978 @cindex @code{nops()}
3979 @cindex @code{op()}
3980 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3981 use the two methods
3982
3983 @example
3984 size_t ex::nops();
3985 ex ex::op(size_t i);
3986 @end example
3987
3988 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3989 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3990 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3991 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3992 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3993 @math{i>0} are the indices.
3994
3995 @cindex iterators
3996 @cindex @code{const_iterator}
3997 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3998 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3999
4000 @example
4001 const_iterator ex::begin();
4002 const_iterator ex::end();
4003 @end example
4004
4005 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4006 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4007 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4008 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4009
4010 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4011 given expression in three different ways:
4012
4013 @example
4014 @{
4015     ex e = ...
4016
4017     // with nops()/op()
4018     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4019         cout << e.op(i) << endl;
4020
4021     // with iterators
4022     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4023         cout << *i << endl;
4024
4025     // with iterators and STL copy()
4026     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4027 @}
4028 @end example
4029
4030 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4031 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4032 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4033 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4034 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4035 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4036 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4037 methods
4038
4039 @example
4040 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4041 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4042 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4043 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4044 @end example
4045
4046 The following example illustrates the differences between
4047 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4048 @code{const_postorder_iterator}:
4049
4050 @example
4051 @{
4052     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4053     ex e = lst(lst(A, B), C);
4054
4055     std::copy(e.begin(), e.end(),
4056               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4057     // @{A,B@}
4058     // C
4059
4060     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4061               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4062     // @{@{A,B@},C@}
4063     // @{A,B@}
4064     // A
4065     // B
4066     // C
4067
4068     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4069               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4070     // A
4071     // B
4072     // @{A,B@}
4073     // C
4074     // @{@{A,B@},C@}
4075 @}
4076 @end example
4077
4078 @cindex @code{relational} (class)
4079 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4080 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4081 methods
4082
4083 @example
4084 ex ex::lhs();
4085 ex ex::rhs();
4086 @end example
4087
4088
4089 @subsection Comparing expressions
4090 @cindex @code{is_equal()}
4091 @cindex @code{is_zero()}
4092
4093 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4094 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4095 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4096 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4097 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4098 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4099 @code{false}.
4100
4101 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4102 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4103 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4104
4105 There are also two methods
4106
4107 @example
4108 bool ex::is_equal(const ex & other);
4109 bool ex::is_zero();
4110 @end example
4111
4112 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4113 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4114 @pxref{Matrices}. 
4115
4116
4117 @subsection Ordering expressions
4118 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4119 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4120 @cindex @code{compare()}
4121
4122 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4123 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4124 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4125 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4126
4127 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4128 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4129 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4130 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4131 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4132 yield @code{true}.
4133
4134 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4135 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4136 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4137 predicates to the STL:
4138
4139 @example
4140 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4141 public:
4142     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4143 @};
4144
4145 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4146 public:
4147     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4148 @};
4149 @end example
4150
4151 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4152 have to use
4153
4154 @example
4155 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4156 @end example
4157
4158 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4159 bugs because the map operates improperly.
4160
4161 Other examples for the use of the functors:
4162
4163 @example
4164 std::vector<ex> v;
4165 // fill vector
4166 ...
4167
4168 // sort vector
4169 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4170
4171 // count the number of expressions equal to '1'
4172 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4173                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4174 @end example
4175
4176 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4177
4178 @example
4179 int ex::compare(const ex & other) const;
4180 @end example
4181
4182 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4183 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4184 after @code{other}.
4185
4186
4187 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4188 @c    node-name, next, previous, up
4189 @section Numerical evaluation
4190 @cindex @code{evalf()}
4191
4192 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4193 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4194
4195 @example
4196 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4197 @end example
4198
4199 @cindex @code{Digits}
4200 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4201 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4202 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4203
4204 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4205 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4206
4207 @example
4208 @{
4209     // Approximate sin(x/Pi)
4210     symbol x("x");
4211     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4212
4213     // Evaluate numerically at x=0.1
4214     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4215
4216     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4217     if (is_a<numeric>(f)) @{
4218         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4219         cout << d << endl;
4220          // -> 0.0318256
4221     @} else
4222         // error
4223 @}
4224 @end example
4225
4226
4227 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4228 @c    node-name, next, previous, up
4229 @section Substituting expressions
4230 @cindex @code{subs()}
4231
4232 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4233 expressions via the @code{.subs()} method:
4234
4235 @example
4236 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4237 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4238 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4239 @end example
4240
4241 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4242 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4243
4244 @example
4245 @{
4246     symbol x("x"), y("y");
4247
4248     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4249     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4250      // -> 73
4251
4252     ex e2 = x*y + x;
4253     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4254      // -> -10
4255 @}
4256 @end example
4257
4258 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4259 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4260
4261 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4262 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4263 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4264 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4265 be substituted is large or unknown.
4266
4267 Using this form, the second example from above would look like this:
4268
4269 @example
4270 @{
4271     symbol x("x"), y("y");
4272     ex e2 = x*y + x;
4273
4274     exmap m;
4275     m[x] = -2;
4276     m[y] = 4;
4277     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4278 @}
4279 @end example
4280
4281 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4282 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4283 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4284
4285 @example
4286 @{
4287     symbol x("x"), y("y");
4288     ex e2 = x*y + x;
4289
4290     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4291 @}
4292 @end example
4293
4294 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4295 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4296 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4297 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4298 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4299 algebraic substitutions in products and powers.
4300 @ref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4301 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4302 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4303 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4304 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4305 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4306
4307 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4308 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4309 following example:
4310
4311 @example
4312 @{
4313     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4314
4315     ex e1 = pow(x+y, 2);
4316     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4317      // -> 16
4318
4319     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4320     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4321      // -> cos(x)^2*sin(y)
4322
4323     ex e3 = x+y+z;
4324     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4325      // -> x+y+z
4326      // (and not 4+z as one might expect)
4327 @}
4328 @end example
4329
4330 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4331 next section.
4332
4333
4334 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4335 @c    node-name, next, previous, up
4336 @section Pattern matching and advanced substitutions
4337 @cindex @code{wildcard} (class)
4338 @cindex Pattern matching
4339
4340 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4341 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4342 substituting expressions in a more general way.
4343
4344 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4345 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4346 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4347 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4348 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4349 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4350 with the call
4351
4352 @example
4353 ex wild(unsigned label = 0);
4354 @end example
4355
4356 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4357 name.
4358
4359 Some examples for patterns:
4360
4361 @multitable @columnfractions .5 .5
4362 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4363 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4364 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4365 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4366 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4367 @end multitable
4368
4369 Notes:
4370
4371 @itemize
4372 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4373   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4374 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4375   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4376   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4377 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4378   possible to use them as placeholders for other properties like index
4379   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4380   etc.
4381 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4382   as part of noncommutative products.
4383 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4384   are also valid patterns.
4385 @end itemize
4386
4387 @subsection Matching expressions
4388 @cindex @code{match()}
4389 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4390 matches a given pattern. This is done by the function
4391
4392 @example
4393 bool ex::match(const ex & pattern);
4394 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4395 @end example
4396
4397 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4398 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4399 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4400 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4401 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4402 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4403 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4404 expressions by passing in the result of a previous match.
4405
4406 The matching algorithm works as follows:
4407
4408 @itemize
4409 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4410   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4411   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4412   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4413 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4414   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4415   etc.).
4416 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4417   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4418 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4419   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4420   of the pattern.
4421 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4422   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4423 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4424   match the corresponding subexpression of the pattern.
4425 @end itemize
4426
4427 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4428 account for their commutativity and associativity:
4429
4430 @itemize
4431 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4432   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4433   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4434   way.
4435 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4436   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4437   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4438   further matches.
4439 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4440   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4441   which case this wildcard matches the remaining terms.
4442 @end itemize
4443
4444 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4445 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4446 ambiguous results.
4447
4448 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4449 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4450 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4451
4452 @example
4453 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4454 @{@}
4455 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4456 FAIL
4457 > match((x+y)^a,$1^$2);
4458 @{$1==x+y,$2==a@}
4459 > match((x+y)^a,$1^$1);
4460 FAIL
4461 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4462 @{$1==x+y@}
4463 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4464 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4465 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4466 @{$1==a@}
4467 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4468 @{$1==c,$2==b@}
4469   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4470 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4471   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4472    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4473    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4474    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4475    fail.)
4476 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4477   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4478    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4479 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4480 FAIL
4481 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4482 @{$0==a+e+b+f+d@}
4483 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4484 @{$0==a+b+f+d@}
4485 > match(a+b,a+b+$0);
4486 @{$0==0@}
4487 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4488 FAIL
4489   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4490    even though a==a^1.)
4491 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4492 @{$0==x@}
4493 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4494 @{$0==x^2@}
4495 @end example
4496
4497 @subsection Matching parts of expressions
4498 @cindex @code{has()}
4499 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4500 member function
4501
4502 @example
4503 bool ex::has(const ex & pattern);
4504 @end example
4505
4506 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4507 by any of its subexpressions.
4508
4509 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4510 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4511
4512 @example
4513 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4514 1
4515 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4516 0
4517   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4518    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4519 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4520 1
4521   (But this is possible.)
4522 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4523 0
4524   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4525    which "x+y" is not a subexpression.)
4526 > has(x+1,x^$1);
4527 0
4528   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4529    "x^something".)
4530 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4531 1
4532 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4533 0
4534   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4535    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4536    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4537 @end example
4538
4539 @cindex @code{find()}
4540 The method
4541
4542 @example
4543 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4544 @end example
4545
4546 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4547 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4548 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4549 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4550 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4551
4552 @example
4553 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4554 @{x@}
4555 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4556 @{@}
4557 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4558 @{x^3,x^2@}
4559   (Note the absence of "x".)
4560 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4561 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4562 > find(%,sin($1));
4563 @{sin(y),sin(x)@}
4564 @end example
4565
4566 @subsection Substituting expressions
4567 @cindex @code{subs()}
4568 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4569 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4570 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4571 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4572 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4573
4574 Some examples:
4575
4576 @example
4577 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4578 b^3+a^3+(x+y)^3
4579 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4580 b^4+a^4+(x+y)^4
4581 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4582 (a+b+c)^2
4583 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4584 (x+c)^2
4585 > subs(a+2*b,a+b==x);
4586 a+2*b
4587 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4588 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4589 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4590 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4591 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4592 cos(1+cos(x))
4593 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4594 a+b
4595 @end example
4596
4597 The last example would be written in C++ in this way:
4598
4599 @example
4600 @{
4601     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4602     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4603     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4604     cout << e.expand() << endl;
4605      // -> a+b
4606 @}
4607 @end example
4608
4609 @subsection The option algebraic
4610 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4611 extra options. This section describes what happens if you give the former
4612 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4613 @code{subs:options::algebraic}. In that case the matching condition for
4614 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4615 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4616 If you use these options you will find that
4617 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4618 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4619 often as is possible without getting negative exponents. For example
4620 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4621 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4622 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4623 return @code{x^(-1)*c^2*z}. Note that this only works for multiplications
4624 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4625
4626
4627 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4628 @c    node-name, next, previous, up
4629 @section Applying a function on subexpressions
4630 @cindex tree traversal
4631 @cindex @code{map()}
4632
4633 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4634 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4635 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4636 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4637 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4638 to do this manually which usually results in code like this:
4639
4640 @example
4641 ex calc_trace(ex e)
4642 @{
4643     if (is_a<matrix>(e))
4644         return ex_to<matrix>(e).trace();
4645     else if (is_a<add>(e)) @{
4646         ex sum = 0;
4647         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4648             sum += calc_trace(e.op(i));
4649         return sum;
4650     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4651         ...
4652     @} else @{
4653         ...
4654     @}
4655 @}
4656 @end example
4657
4658 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4659 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4660 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4661 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4662 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4663
4664 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4665 operations:
4666
4667 @example
4668 ex ex::map(map_function & f) const;
4669 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4670 @end example
4671
4672 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4673 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4674 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4675 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4676 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4677 non-recursively.
4678
4679 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4680 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4681 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4682 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4683 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4684
4685 @example
4686 struct calc_trace : public map_function @{
4687     ex operator()(const ex &e)
4688     @{
4689         if (is_a<matrix>(e))
4690             return ex_to<matrix>(e).trace();
4691         else if (is_a<mul>(e)) @{
4692             ...
4693         @} else
4694             return e.map(*this);
4695     @}
4696 @};
4697 @end example
4698
4699 This function object could then be used like this:
4700
4701 @example
4702 @{
4703     ex M = ... // expression with matrices
4704     calc_trace do_trace;
4705     ex tr = do_trace(M);
4706 @}
4707 @end example
4708
4709 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4710 terms in a variable from an expanded polynomial:
4711
4712 @example
4713 struct map_rem_quad : public map_function @{
4714     ex var;
4715     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4716
4717     ex operator()(const ex & e)
4718     @{
4719         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4720             return e.map(*this);
4721         else if (is_a<power>(e) && 
4722                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4723             return 0;
4724         else
4725             return e;
4726     @}
4727 @};
4728
4729 ...
4730
4731 @{
4732     symbol x("x"), y("y");
4733
4734     ex e;
4735     for (int i=0; i<8; i++)
4736         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4737     cout << e << endl;
4738      // -> 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
4739
4740     map_rem_quad rem_quad(x);
4741     cout << rem_quad(e) << endl;
4742      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4743 @}
4744 @end example
4745
4746 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4747 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4748 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4749 acts as the placeholder for the operands:
4750
4751 @example
4752 > map(a*b,sin($0));
4753 sin(a)*sin(b)
4754 > map(a+2*b,sin($0));
4755 sin(a)+sin(2*b)
4756 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4757 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4758 @end example
4759
4760 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4761 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4762 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4763
4764 @example
4765 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4766 @{0,0,0@}
4767   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4768   to "map(@{a,b,c@},0)".
4769 @end example
4770
4771
4772 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4773 @c    node-name, next, previous, up
4774 @section Visitors and tree traversal
4775 @cindex tree traversal
4776 @cindex @code{visitor} (class)
4777 @cindex @code{accept()}
4778 @cindex @code{visit()}
4779 @cindex @code{traverse()}
4780 @cindex @code{traverse_preorder()}
4781 @cindex @code{traverse_postorder()}
4782
4783 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4784 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4785 indices with variance you always want the covariant version returned.
4786
4787 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4788 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4789 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4790 with variance, one for plain ones).
4791
4792 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4793 such as the following:
4794
4795 @example
4796 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4797 @{
4798     if (is_a<varidx>(e)) @{
4799         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4800         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4801     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4802         l.append(e);
4803     @} else @{
4804         size_t n = e.nops();
4805         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4806             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4807     @}
4808 @}
4809
4810 lst gather_indices(const ex & e)
4811 @{
4812     lst l;
4813     gather_indices_helper(e, l);
4814     l.sort();
4815     l.unique();
4816     return l;
4817 @}
4818 @end example
4819
4820 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4821 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4822 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4823
4824 @example
4825     if (is_a<idx>(e)) @{
4826       ...
4827     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4828       ...
4829 @end example
4830
4831 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4832 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4833 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4834 executed.
4835
4836 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4837 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4838 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4839 write a function that required a different implementation for nearly
4840 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4841
4842 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4843 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4844 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4845 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4846 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4847 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4848 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4849 presented this would be impractical.
4850
4851 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4852 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4853 variation, described in detail in
4854 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4855 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4856 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4857 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4858 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4859 object that @code{accept()} was being invoked on.
4860
4861 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4862 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4863 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4864 each class.
4865
4866 A call of
4867
4868 @example
4869 void ex::accept(visitor & v) const;
4870 @end example
4871
4872 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4873 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4874 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4875
4876 Here is an example of a visitor:
4877
4878 @example
4879 class my_visitor
4880  : public visitor,          // this is required
4881    public add::visitor,     // visit add objects
4882    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4883    public basic::visitor    // visit basic objects
4884 @{
4885     void visit(const add & x)
4886     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4887
4888     void visit(const numeric & x)
4889     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4890
4891     void visit(const basic & x)
4892     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4893 @};
4894 @end example
4895
4896 which can be used as follows:
4897
4898 @example
4899 ...
4900     symbol x("x");
4901     ex e1 = 42;
4902     ex e2 = 4*x-3;
4903     ex e3 = 8*x;
4904
4905     my_visitor v;
4906     e1.accept(v);
4907      // prints "called with a numeric object"
4908     e2.accept(v);
4909      // prints "called with an add object"
4910     e3.accept(v);
4911      // prints "called with a basic object"
4912 ...
4913 @end example
4914
4915 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4916 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4917
4918 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4919 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4920 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4921 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4922 hierarchies of visitors.
4923
4924 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4925
4926 @example
4927 class gather_indices_visitor
4928  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4929 @{
4930     lst l;
4931
4932     void visit(const idx & i)
4933     @{
4934         l.append(i);
4935     @}
4936
4937     void visit(const varidx & vi)
4938     @{
4939         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4940     @}
4941
4942 public:
4943     const lst & get_result() // utility function
4944     @{
4945         l.sort();
4946         l.unique();
4947         return l;
4948     @}
4949 @};
4950 @end example
4951
4952 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4953 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4954
4955 @example
4956 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4957 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4958 void ex::traverse(visitor & v) const;
4959 @end example
4960
4961 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4962 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4963 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4964 @code{traverse_preorder()}.
4965
4966 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4967 and @code{traverse()}:
4968
4969 @example
4970 lst gather_indices(const ex & e)
4971 @{
4972     gather_indices_visitor v;
4973     e.traverse(v);
4974     return v.get_result();
4975 @}
4976 @end example
4977
4978 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4979 traversal:
4980
4981 @example
4982 lst gather_indices(const ex & e)
4983 @{
4984     gather_indices_visitor v;
4985     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4986          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4987         i->accept(v);
4988     @}
4989     return v.get_result();
4990 @}
4991 @end example
4992
4993
4994 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
4995 @c    node-name, next, previous, up
4996 @section Polynomial arithmetic
4997
4998 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
4999 @cindex @code{is_polynomial()}
5000
5001 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5002 can be done with the method
5003 @example
5004 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5005 @end example
5006 In the case of more than
5007 one variable, the variables are given as a list.
5008
5009 @example
5010 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5011 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5012 @end example
5013
5014 @subsection Expanding and collecting
5015 @cindex @code{expand()}
5016 @cindex @code{collect()}
5017 @cindex @code{collect_common_factors()}
5018
5019 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5020 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5021 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5022 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5023 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5024 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5025 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5026 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5027 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5028 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5029 x*z}.
5030
5031 To bring an expression into expanded form, its method
5032
5033 @example
5034 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5035 @end example
5036
5037 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5038 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5039 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5040 orderings of terms in such sums!
5041
5042 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5043 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5044 being polynomials in the remaining variables.  The method
5045 @code{collect()} accomplishes this task:
5046
5047 @example
5048 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5049 @end example
5050
5051 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5052 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5053 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5054 by the @code{distributed} flag.
5055
5056 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5057 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5058 coefficients properly.
5059
5060 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5061 together with @code{find()}:
5062
5063 @example
5064 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5065 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)
5066 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5067 > collect(a,@{p,q@});
5068 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5069 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5070 > collect(a,find(a,sin($1)));
5071 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5072 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5073 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5074 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5075 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5076 @end example
5077
5078 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5079 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5080
5081 @example
5082 ex collect_common_factors(const ex & e);
5083 @end example
5084
5085 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5086 factors which are already explicitly present:
5087
5088 @example
5089 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5090 (x+y)*a
5091 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5092 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5093 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5094 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5095 @end example
5096
5097 @subsection Degree and coefficients
5098 @cindex @code{degree()}
5099 @cindex @code{ldegree()}
5100 @cindex @code{coeff()}
5101
5102 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5103 methods
5104
5105 @example
5106 int ex::degree(const ex & s);
5107 int ex::ldegree(const ex & s);
5108 @end example
5109
5110 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5111 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5112 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5113 an expanded polynomial you use
5114
5115 @example
5116 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5117 @end example
5118
5119 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5120
5121 @example
5122 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5123 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5124 @end example
5125
5126 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5127 respectively.
5128
5129 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5130 polynomial is analyzed:
5131
5132 @example
5133 @{
5134     symbol x("x"), y("y");
5135     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5136                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5137     ex Poly = PolyInp.expand();
5138     
5139     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5140         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5141              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5142     @}
5143     cout << "As polynomial in y: " 
5144          << Poly.collect(y) << endl;
5145 @}
5146 @end example
5147
5148 When run, it returns an output in the following fashion:
5149
5150 @example
5151 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5152 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5153 The x^2-coefficient is -1
5154 The x^3-coefficient is 4*y
5155 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5156 @end example
5157
5158 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5159 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5160 within the user's sphere of influence.
5161
5162 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5163 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5164 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5165 constants, functions and indexed objects as well:
5166
5167 @example
5168 @{
5169     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5170     idx i(symbol("i"), 3);
5171
5172     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5173     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5174      // -> 4
5175     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5176      // -> -4*cos(x)
5177
5178     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5179     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5180     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5181      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5182 @}
5183 @end example
5184
5185
5186 @subsection Polynomial division
5187 @cindex polynomial division
5188 @cindex quotient
5189 @cindex remainder
5190 @cindex pseudo-remainder
5191 @cindex @code{quo()}
5192 @cindex @code{rem()}
5193 @cindex @code{prem()}
5194 @cindex @code{divide()}
5195
5196 The two functions
5197
5198 @example
5199 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5200 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5201 @end example
5202
5203 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5204 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5205
5206 The additional function
5207
5208 @example
5209 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5210 @end example
5211
5212 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5213 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5214
5215 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5216
5217 @example
5218 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5219 @end example
5220
5221 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5222 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5223 in which case the value of @code{q} is undefined.
5224
5225
5226 @subsection Unit, content and primitive part
5227 @cindex @code{unit()}
5228 @cindex @code{content()}
5229 @cindex @code{primpart()}
5230 @cindex @code{unitcontprim()}
5231
5232 The methods
5233
5234 @example
5235 ex ex::unit(const ex & x);
5236 ex ex::content(const ex & x);
5237 ex ex::primpart(const ex & x);
5238 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5239 @end example
5240
5241 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5242 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5243 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5244 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5245 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5246 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5247 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5248 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5249
5250 Additionally, the method
5251
5252 @example
5253 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5254 @end example
5255
5256 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5257 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5258
5259
5260 @subsection GCD, LCM and resultant
5261 @cindex GCD
5262 @cindex LCM
5263 @cindex @code{gcd()}
5264 @cindex @code{lcm()}
5265
5266 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5267 multiple have the synopsis
5268
5269 @example
5270 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5271 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5272 @end example
5273
5274 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5275 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5276 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5277 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5278 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5279 the coefficients must be rationals.
5280
5281 @example
5282 #include <ginac/ginac.h>
5283 using namespace GiNaC;
5284
5285 int main()
5286 @{
5287     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5288     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5289     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5290
5291     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5292     // x + 5*y + 4*z
5293     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5294     // 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
5295 @}
5296 @end example
5297
5298 @cindex resultant
5299 @cindex @code{resultant()}
5300
5301 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5302 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5303 expressions. The function has the interface
5304
5305 @example
5306 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5307 @end example
5308
5309 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5310 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5311 @code{y}, respectively:
5312
5313 @example
5314 #include <ginac/ginac.h>
5315 using namespace GiNaC;
5316
5317 int main()
5318 @{
5319     symbol x("x"), y("y");
5320
5321     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5322     ex r;
5323     
5324     r = resultant(e1, e2, x); 
5325     // -> 1+2*y^6
5326     r = resultant(e1, e2, y); 
5327     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5328 @}
5329 @end example
5330
5331 @subsection Square-free decomposition
5332 @cindex square-free decomposition
5333 @cindex factorization
5334 @cindex @code{sqrfree()}
5335
5336 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5337 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5338 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5339 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5340 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5341 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5342 one, too:
5343 @example
5344 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5345 @end example
5346 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5347 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5348 some care with subsequent processing of the result:
5349 @example
5350     ...
5351     symbol x("x"), y("y");
5352     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5353
5354     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5355      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5356
5357     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5358      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5359
5360     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5361      // -> depending on luck, any of the above
5362     ...
5363 @end example
5364 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5365 with this method.
5366
5367
5368 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5369 @c    node-name, next, previous, up
5370 @section Rational expressions
5371
5372 @subsection The @code{normal} method
5373 @cindex @code{normal()}
5374 @cindex simplification
5375 @cindex temporary replacement
5376
5377 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5378 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5379 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5380 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5381 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5382 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5383
5384 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5385 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5386 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5387 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5388 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5389 @code{.to_rational()}, described below.
5390
5391 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5392 simplified in this little code snippet:
5393
5394 @example
5395 @{
5396     symbol x("x");
5397     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5398     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5399     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5400     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5401 @}
5402 @end example
5403
5404 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5405 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5406 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5407
5408
5409 @subsection Numerator and denominator
5410 @cindex numerator
5411 @cindex denominator
5412 @cindex @code{numer()}
5413 @cindex @code{denom()}
5414 @cindex @code{numer_denom()}
5415
5416 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5417
5418 @example
5419 ex ex::numer();
5420 ex ex::denom();
5421 ex ex::numer_denom();
5422 @end example
5423
5424 These functions will first normalize the expression as described above and
5425 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5426 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5427 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5428
5429
5430 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5431 @cindex @code{to_polynomial()}
5432 @cindex @code{to_rational()}
5433
5434 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5435 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5436 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5437 above. You do this by calling
5438
5439 @example
5440 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5441 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5442 @end example
5443 or
5444 @example
5445 ex ex::to_rational(exmap & m);
5446 ex ex::to_rational(lst & l);
5447 @end example
5448
5449 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5450 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5451 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5452 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5453 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5454 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5455
5456 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5457 is probably best illustrated with an example:
5458
5459 @example
5460 @{
5461     symbol x("x"), y("y");
5462     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5463     cout << a << endl;
5464
5465     lst lp;
5466     ex p = a.to_polynomial(lp);
5467     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5468      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5469      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5470
5471     lst lr;
5472     ex r = a.to_rational(lr);
5473     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5474      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5475      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5476 @}
5477 @end example
5478
5479 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5480
5481 @example
5482 @{
5483     symbol x("x");
5484     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5485     ex b = sin(x) + cos(x);
5486     ex q;
5487     exmap m;
5488     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5489     cout << q.subs(m) << endl;
5490 @}
5491 @end example
5492
5493
5494 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5495 @c    node-name, next, previous, up
5496 @section Symbolic differentiation
5497 @cindex differentiation
5498 @cindex @code{diff()}
5499 @cindex chain rule
5500 @cindex product rule
5501
5502 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5503 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5504 the derivatives of all the monomials:
5505
5506 @example
5507 @{
5508     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5509     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5510
5511     cout << P.diff(x,2) << endl;
5512      // -> 20*x^3 + 2
5513     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5514      // -> 1
5515     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5516      // -> 0
5517 @}
5518 @end example
5519
5520 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5521 returns the @var{n}th derivative.
5522
5523 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5524 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5525 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5526 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5527 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5528 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5529 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5530 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5531 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5532 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5533 lines:
5534
5535 @cindex Euler numbers
5536 @example
5537 #include <ginac/ginac.h>
5538 using namespace GiNaC;
5539
5540 ex EulerNumber(unsigned n)
5541 @{
5542     symbol x;
5543     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5544     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5545 @}
5546
5547 int main()
5548 @{
5549     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5550         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5551     return 0;
5552 @}
5553 @end example
5554
5555 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5556 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5557 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5558
5559
5560 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5561 @c    node-name, next, previous, up
5562 @section Series expansion
5563 @cindex @code{series()}
5564 @cindex Taylor expansion
5565 @cindex Laurent expansion
5566 @cindex @code{pseries} (class)
5567 @cindex @code{Order()}
5568
5569 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5570 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5571 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5572 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5573 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5574 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5575 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5576 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5577 term).  A sample application from special relativity could read:
5578
5579 @example
5580 #include <ginac/ginac.h>
5581 using namespace std;
5582 using namespace GiNaC;
5583
5584 int main()
5585 @{
5586     symbol v("v"), c("c");
5587     
5588     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5589     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5590     
5591     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5592          << mass_nonrel << endl;
5593     
5594     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5595          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5596 @}
5597 @end example
5598
5599 Only calling the series method makes the last output simplify to
5600 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5601 series raised to the power @math{-2}.
5602
5603 @cindex Machin's formula
5604 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5605 value of Archimedes' constant
5606 @tex
5607 $\pi$
5608 @end tex
5609 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5610 using John Machin's amazing formula
5611 @tex
5612 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5613 @end tex
5614 @ifnottex
5615 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5616 @end ifnottex
5617 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5618 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5619 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5620 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5621 order term with it and the question arises what the system is supposed
5622 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5623 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5624 term off:
5625
5626 @example
5627 #include <ginac/ginac.h>
5628 using namespace GiNaC;
5629
5630 ex machin_pi(int degr)
5631 @{
5632     symbol x;
5633     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5634     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5635                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5636     return pi_approx;
5637 @}
5638
5639 int main()
5640 @{
5641     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5642     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5643     ex pi_frac;
5644     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5645         pi_frac = machin_pi(i);
5646         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5647              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5648     @}
5649     return 0;
5650 @}
5651 @end example
5652
5653 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5654 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5655 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5656 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5657 program, it will type out:
5658
5659 @example
5660 2:      3804/1195
5661         3.1832635983263598326
5662 4:      5359397032/1706489875
5663         3.1405970293260603143
5664 6:      38279241713339684/12184551018734375
5665         3.141621029325034425
5666 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5667         3.141591772182177295
5668 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5669         3.1415926824043995174
5670 @end example
5671
5672
5673 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5674 @c    node-name, next, previous, up
5675 @section Symmetrization
5676 @cindex @code{symmetrize()}
5677 @cindex @code{antisymmetrize()}
5678 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5679
5680 The three methods
5681
5682 @example
5683 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5684 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5685 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5686 @end example
5687
5688 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5689 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5690 weighted by the number of permutations.
5691
5692 The three additional methods
5693
5694 @example
5695 ex ex::symmetrize();
5696 ex ex::antisymmetrize();
5697 ex ex::symmetrize_cyclic();
5698 @end example
5699
5700 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5701
5702 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5703 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5704
5705 @example
5706 @{
5707     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5708     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5709                                            
5710     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5711      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5712     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5713      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5714     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5715      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5716 @}
5717 @end example
5718
5719 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5720 @c    node-name, next, previous, up
5721 @section Predefined mathematical functions
5722 @c
5723 @subsection Overview
5724
5725 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5726
5727 @cartouche
5728 @multitable @columnfractions .30 .70
5729 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5730 @item @code{abs(x)}
5731 @tab absolute value
5732 @cindex @code{abs()}
5733 @item @code{step(x)}
5734 @tab step function
5735 @cindex @code{step()}
5736 @item @code{csgn(x)}
5737 @tab complex sign
5738 @cindex @code{conjugate()}
5739 @item @code{conjugate(x)}
5740 @tab complex conjugation
5741 @cindex @code{real_part()}
5742 @item @code{real_part(x)}
5743 @tab real part
5744 @cindex @code{imag_part()}
5745 @item @code{imag_part(x)}
5746 @tab imaginary part
5747 @item @code{sqrt(x)}
5748 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5749 @cindex @code{sqrt()}
5750 @item @code{sin(x)}
5751 @tab sine
5752 @cindex @code{sin()}
5753 @item @code{cos(x)}
5754 @tab cosine
5755 @cindex @code{cos()}
5756 @item @code{tan(x)}
5757 @tab tangent
5758 @cindex @code{tan()}
5759 @item @code{asin(x)}
5760 @tab inverse sine
5761 @cindex @code{asin()}
5762 @item @code{acos(x)}
5763 @tab inverse cosine
5764 @cindex @code{acos()}
5765 @item @code{atan(x)}
5766 @tab inverse tangent
5767 @cindex @code{atan()}
5768 @item @code{atan2(y, x)}
5769 @tab inverse tangent with two arguments
5770 @item @code{sinh(x)}
5771 @tab hyperbolic sine
5772 @cindex @code{sinh()}
5773 @item @code{cosh(x)}
5774 @tab hyperbolic cosine
5775 @cindex @code{cosh()}
5776 @item @code{tanh(x)}
5777 @tab hyperbolic tangent
5778 @cindex @code{tanh()}
5779 @item @code{asinh(x)}
5780 @tab inverse hyperbolic sine
5781 @cindex @code{asinh()}
5782 @item @code{acosh(x)}
5783 @tab inverse hyperbolic cosine
5784 @cindex @code{acosh()}
5785 @item @code{atanh(x)}
5786 @tab inverse hyperbolic tangent
5787 @cindex @code{atanh()}
5788 @item @code{exp(x)}
5789 @tab exponential function
5790 @cindex @code{exp()}
5791 @item @code{log(x)}
5792 @tab natural logarithm
5793 @cindex @code{log()}
5794 @item @code{Li2(x)}
5795 @tab dilogarithm
5796 @cindex @code{Li2()}
5797 @item @code{Li(m, x)}
5798 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5799 @cindex @code{Li()}
5800 @item @code{G(a, y)}
5801 @tab multiple polylogarithm
5802 @cindex @code{G()}
5803 @item @code{G(a, s, y)}
5804 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5805 @cindex @code{G()}
5806 @item @code{S(n, p, x)}
5807 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5808 @cindex @code{S()}
5809 @item @code{H(m, x)}
5810 @tab harmonic polylogarithm
5811 @cindex @code{H()}
5812 @item @code{zeta(m)}
5813 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5814 @cindex @code{zeta()}
5815 @item @code{zeta(m, s)}
5816 @tab alternating Euler sum
5817 @cindex @code{zeta()}
5818 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5819 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5820 @item @code{tgamma(x)}
5821 @tab gamma function
5822 @cindex @code{tgamma()}
5823 @cindex gamma function
5824 @item @code{lgamma(x)}
5825 @tab logarithm of gamma function
5826 @cindex @code{lgamma()}
5827 @item @code{beta(x, y)}
5828 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5829 @cindex @code{beta()}
5830 @item @code{psi(x)}
5831 @tab psi (digamma) function
5832 @cindex @code{psi()}
5833 @item @code{psi(n, x)}
5834 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5835 @item @code{factorial(n)}
5836 @tab factorial function @math{n!}
5837 @cindex @code{factorial()}
5838 @item @code{binomial(n, k)}
5839 @tab binomial coefficients
5840 @cindex @code{binomial()}
5841 @item @code{Order(x)}
5842 @tab order term function in truncated power series
5843 @cindex @code{Order()}
5844 @end multitable
5845 @end cartouche
5846
5847 @cindex branch cut
5848 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5849 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5850 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5851 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5852 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5853 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5854 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5855 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5856 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5857 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5858 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5859 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5860 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5861 compatible with C99.
5862
5863 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5864 @c    node-name, next, previous, up
5865 @subsection Multiple polylogarithms
5866
5867 @cindex polylogarithm
5868 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5869 @cindex harmonic polylogarithm
5870 @cindex multiple zeta value
5871 @cindex alternating Euler sum
5872 @cindex multiple polylogarithm
5873
5874 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5875 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5876 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5877 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5878 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5879 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5880 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5881 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5882 notations are more natural to the series representation or the integral
5883 representation, respectively.
5884
5885 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5886 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5887 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5888
5889 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5890 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5891 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5892 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5893 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5894 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5895 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5896 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5897 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5898 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5899 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5900
5901 The functions print in LaTeX format as
5902 @tex
5903 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5904 @end tex
5905 @tex
5906 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5907 @end tex
5908 @tex
5909 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5910 @end tex
5911 @tex
5912 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5913 @end tex
5914 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5915 are printed with a line above, e.g.
5916 @tex
5917 $\zeta(5,\overline{2})$.
5918 @end tex
5919 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5920
5921 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5922 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5923 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5924 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5925
5926 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5927 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5928 the series representation. This means
5929 @tex
5930 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5931 @end tex
5932 @tex
5933 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5934 @end tex
5935 @tex
5936 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5937 @end tex
5938 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5939 is reversed.
5940
5941 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5942 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5943 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5944 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5945 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5946 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5947 @tex
5948 $\zeta(\overline{3},4)$
5949 @end tex
5950 and
5951 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5952 @tex
5953 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5954 @end tex
5955 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5956 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5957 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
5958 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5959 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5960 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5961 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5962
5963 @example
5964 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5965 S(2,2,x)
5966 > H(@{-3,2@},1);
5967 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5968 > S(3,1,1);
5969 1/90*Pi^4
5970 @end example
5971
5972 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5973 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5974 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5975 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5976 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5977 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5978
5979 @example
5980 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5981 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5982 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5983 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5984 @end example
5985
5986 Every function can be numerically evaluated for
5987 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5988 global variable @code{Digits}:
5989
5990 @example
5991 > Digits=100;
5992 100
5993 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5994 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5995 @end example
5996
5997 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5998 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5999
6000 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6001 unevaluated, e.g.
6002 @tex
6003 $\zeta(1)$.
6004 @end tex
6005 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6006 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6007 cancellations of divergencies happen.
6008
6009 Useful publications:
6010
6011 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6012 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6013
6014 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6015 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6016
6017 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6018 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6019
6020 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6021 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6022
6023 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6024 @c    node-name, next, previous, up
6025 @section Complex expressions
6026 @c
6027 @cindex @code{conjugate()}
6028
6029 For dealing with complex expressions there are the methods
6030
6031 @example
6032 ex ex::conjugate();
6033 ex ex::real_part();
6034 ex ex::imag_part();
6035 @end example
6036
6037 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6038 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6039 for all built-in functinos and objects. Taking real and imaginary
6040 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6041 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6042 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6043 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6044 (symbols are complex by default), one could not simplify
6045 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6046 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6047
6048 For example,
6049 @example
6050 @{
6051     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6052     symbol x("x");
6053     realsymbol y("y");
6054                                            
6055     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6056      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6057     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6058      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6059 @}
6060 @end example
6061
6062 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6063 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6064 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6065 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6066 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6067 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6068
6069 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6070 @c    node-name, next, previous, up
6071 @section Solving linear systems of equations
6072 @cindex @code{lsolve()}
6073
6074 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6075 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6076 needs to be solved:
6077
6078 @example
6079 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6080           unsigned options = solve_algo::automatic);
6081 @end example
6082
6083 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6084 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6085 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6086 @code{lst}).
6087
6088 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6089 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6090
6091 @example
6092 @{
6093     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6094     lst eqns, vars;
6095     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6096     vars = x, y;
6097     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6098      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6099 @end example
6100
6101 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6102 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6103 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6104 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6105 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6106 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6107 around that method.
6108
6109
6110 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6111 @c    node-name, next, previous, up
6112 @section Input and output of expressions
6113 @cindex I/O
6114
6115 @subsection Expression output
6116 @cindex printing
6117 @cindex output of expressions
6118
6119 Expressions can simply be written to any stream:
6120
6121 @example
6122 @{
6123     symbol x("x");
6124     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6125     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6126     // ...
6127 @end example
6128
6129 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6130 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6131 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6132 is printed as @samp{x^2}).
6133
6134 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6135 a set of stream manipulators;
6136
6137 @example
6138 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6139 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6140 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6141 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6142 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6143 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6144 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6145 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6146 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6147 @end example
6148
6149 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6150 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6151 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6152
6153 @cindex @code{dflt}
6154 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6155 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6156
6157 @example
6158     // ...
6159     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6160                               // now on
6161     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6162     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6163     cout << dflt;             // revert to default output format
6164     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6165     // ...
6166 @end example
6167
6168 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6169 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6170
6171 @example
6172     // ...
6173     ostringstream s;
6174     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6175     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6176     // ...
6177 @end example
6178
6179 @cindex @code{csrc}
6180 @cindex @code{csrc_float}
6181 @cindex @code{csrc_double}
6182 @cindex @code{csrc_cl_N}
6183 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6184 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6185 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6186 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6187 classes provided by the CLN library):
6188
6189 @example
6190     // ...
6191     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6192     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6193     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6194     // ...
6195 @end example
6196
6197 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6198 @code{x*x}):
6199
6200 @example
6201 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6202 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6203 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6204 @end example
6205
6206 @cindex @code{tree}
6207 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6208 expression for debugging purposes:
6209
6210 @example
6211     // ...
6212     cout << tree << e;
6213 @}
6214 @end example
6215
6216 produces
6217
6218 @example
6219 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6220     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6221         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6222         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6223     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6224     -----
6225     overall_coeff
6226     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6227     =====
6228 @end example
6229
6230 @cindex @code{latex}
6231 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6232 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6233 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6234 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6235 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6236 constructor.
6237
6238 For example, the code snippet
6239
6240 @example
6241 @{
6242     symbol x("x", "\\circ");
6243     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6244     cout << latex << e << endl;
6245 @}
6246 @end example
6247
6248 will print
6249
6250 @example
6251     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6252     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6253 @end example
6254
6255 @cindex @code{index_dimensions}
6256 @cindex @code{no_index_dimensions}
6257 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6258 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6259 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6260 formats:
6261
6262 @example
6263 @{
6264     symbol x("x"), y("y");
6265     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6266     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6267
6268     cout << e << endl;
6269      // prints 'x~mu*y~nu'
6270     cout << index_dimensions << e << endl;
6271      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6272     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6273      // prints 'x~mu*y~nu'
6274 @}
6275 @end example
6276
6277
6278 @cindex Tree traversal
6279 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6280 with other algebra systems or for producing code for different
6281 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6282
6283 @example
6284 static void my_print(const ex & e)
6285 @{
6286     if (is_a<function>(e))
6287         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6288     else
6289         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6290     cout << "(";
6291     size_t n = e.nops();
6292     if (n)
6293         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6294             my_print(e.op(i));
6295             if (i != n-1)
6296                 cout << ",";
6297         @}
6298     else
6299         cout << e;
6300     cout << ")";
6301 @}
6302
6303 int main()
6304 @{
6305     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6306     return 0;
6307 @}
6308 @end example
6309
6310 This will produce
6311
6312 @example
6313 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6314 symbol(y))),numeric(-2)))
6315 @end example
6316
6317 If you need an output format that makes it possible to accurately
6318 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6319 object factory, you should consider storing the expression in an
6320 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6321 See the section on archiving for more information.
6322
6323
6324 @subsection Expression input
6325 @cindex input of expressions
6326
6327 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6328 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6329 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6330 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6331 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6332
6333 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6334 list of symbols to be used:
6335
6336 @example
6337 @{
6338     symbol x("x"), y("y");
6339     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6340 @}
6341 @end example
6342
6343 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6344 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6345 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6346 the list it will throw an exception.
6347
6348 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6349
6350 @example
6351 #include <iostream>
6352 #include <string>
6353 #include <stdexcept>
6354 #include <ginac/ginac.h>
6355 using namespace std;
6356 using namespace GiNaC;
6357
6358 int main()
6359 @{
6360     symbol x("x");
6361     string s;
6362
6363     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6364     getline(cin, s);
6365
6366     try @{
6367         ex e(s, lst(x));
6368         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6369         cout << e.diff(x) << ".\n";
6370     @} catch (exception &p) @{
6371         cerr << p.what() << endl;
6372     @}
6373 @}
6374 @end example
6375
6376
6377 @subsection Archiving
6378 @cindex @code{archive} (class)
6379 @cindex archiving
6380
6381 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6382 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6383 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6384 expression a unique name:
6385
6386 @example
6387 #include <fstream>
6388 using namespace std;
6389 #include <ginac/ginac.h>
6390 using namespace GiNaC;
6391
6392 int main()
6393 @{
6394     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6395
6396     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6397     ex bar = foo + 1;
6398
6399     archive a;
6400     a.archive_ex(foo, "foo");
6401     a.archive_ex(bar, "the second one");
6402     // ...
6403 @end example
6404
6405 The archive can then be written to a file:
6406
6407 @example
6408     // ...
6409     ofstream out("foobar.gar");
6410     out << a;
6411     out.close();
6412     // ...
6413 @end example
6414
6415 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6416 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6417
6418 @cindex @command{viewgar}
6419 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6420 the contents of GiNaC archive files:
6421
6422 @example
6423 $ viewgar foobar.gar
6424 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6425 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6426 @end example
6427
6428 The point of writing archive files is of course that they can later be
6429 read in again:
6430
6431 @example
6432     // ...
6433     archive a2;
6434     ifstream in("foobar.gar");
6435     in >> a2;
6436     // ...
6437 @end example
6438
6439 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6440
6441 @example
6442     // ...
6443     lst syms;
6444     syms = x, y;
6445
6446     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6447     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6448
6449     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6450     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6451     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6452 @}
6453 @end example
6454
6455 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6456 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6457 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6458 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6459 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6460 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6461 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6462 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6463
6464 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6465 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6466 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6467 functions that let you access the stored properties:
6468
6469 @example
6470 static void my_print2(const archive_node & n)
6471 @{
6472     string class_name;
6473     n.find_string("class", class_name);
6474     cout << class_name << "(";
6475
6476     archive_node::propinfovector p;
6477     n.get_properties(p);
6478
6479     size_t num = p.size();
6480     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6481         const string &name = p[i].name;
6482         if (name == "class")
6483             continue;
6484         cout << name << "=";
6485
6486         unsigned count = p[i].count;
6487         if (count > 1)
6488             cout << "@{";
6489
6490         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6491             switch (p[i].type) @{
6492                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6493                     bool x;
6494                     n.find_bool(name, x, j);
6495                     cout << (x ? "true" : "false");
6496                     break;
6497                 @}
6498                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6499                     unsigned x;
6500                     n.find_unsigned(name, x, j);
6501                     cout << x;
6502                     break;
6503                 @}
6504                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6505                     string x;
6506                     n.find_string(name, x, j);
6507                     cout << '\"' << x << '\"';
6508                     break;
6509                 @}
6510                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6511                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6512                     my_print2(x);
6513                     break;
6514                 @}
6515             @}
6516
6517             if (j != count-1)
6518                 cout << ",";
6519         @}
6520
6521         if (count > 1)
6522             cout << "@}";
6523
6524         if (i != num-1)
6525             cout << ",";
6526     @}
6527
6528     cout << ")";
6529 @}
6530
6531 int main()
6532 @{
6533     ex e = pow(2, x) - y;
6534     archive ar(e, "e");
6535     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6536     return 0;
6537 @}
6538 @end example
6539
6540 This will produce:
6541
6542 @example
6543 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6544 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6545 overall_coeff=numeric(number="0"))
6546 @end example
6547
6548 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6549 class may change between GiNaC versions.
6550
6551
6552 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6553 @c    node-name, next, previous, up
6554 @chapter Extending GiNaC
6555
6556 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6557 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6558 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6559 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6560 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6561 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6562
6563 @menu
6564 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6565 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6566 * Printing::                         Adding new output formats.
6567 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6568 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6569 @end menu
6570
6571
6572 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6573 @c    node-name, next, previous, up
6574 @section What doesn't belong into GiNaC
6575
6576 @cindex @command{ginsh}
6577 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6578 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6579 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6580 language.  There are no loops or conditional expressions in
6581 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6582 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6583 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6584 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6585 the future.
6586
6587 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6588 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6589 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6590 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6591 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6592 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6593 provided by CLN are much better suited.
6594
6595
6596 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6597 @c    node-name, next, previous, up
6598 @section Symbolic functions
6599
6600 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6601 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6602 two preprocessor macros:
6603
6604 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6605 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6606 @example
6607 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6608 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6609 @end example
6610
6611 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6612 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6613 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6614 @code{function} object that represents your function.
6615
6616 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6617 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6618 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6619 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6620 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6621 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6622 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6623 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6624
6625 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6626 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6627 done our best to avoid macros where we can.)
6628
6629 @subsection A minimal example
6630
6631 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6632 that is not further evaluated:
6633
6634 @example
6635 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6636
6637 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6638 @end example
6639
6640 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6641 in algebraic expressions:
6642
6643 @example
6644 @{
6645     ...
6646     symbol x("x");
6647     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6648     cout << e << endl;
6649      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6650     ...
6651 @}
6652 @end example
6653
6654 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6655 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6656 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6657 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6658
6659 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6660 example of how to make an "intelligent" function.
6661
6662 @subsection The cosine function
6663
6664 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6665
6666 @example
6667 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6668 @end example
6669
6670 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6671 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6672 this function in expressions.
6673
6674 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6675 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6676
6677 @example
6678 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6679                        evalf_func(cos_evalf).
6680                        derivative_func(cos_deriv).
6681                        latex_name("\\cos"));
6682 @end example
6683
6684 There are four options defined for the cosine function. One of them
6685 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6686 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6687 function are defined.
6688
6689 @cindex @code{hold()}
6690 @cindex evaluation
6691 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6692 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6693 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6694 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6695 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6696 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6697 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6698 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6699 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6700 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6701 somewhere.
6702
6703 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6704 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6705 what is going on):
6706
6707 @example
6708 static ex cos_eval(const ex & x)
6709 @{
6710     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6711         return 1;
6712     else if ("x is a multiple of Pi")
6713         return -1;
6714     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6715         return 0;
6716     // more rules...
6717
6718     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6719         return y;
6720     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6721         return sqrt(1-y^2);
6722     // more rules...
6723
6724     else
6725         return cos(x).hold();
6726 @}
6727 @end example
6728
6729 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6730
6731 @example
6732 @{
6733     ...
6734     e = cos(Pi);
6735      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6736      // the actual expression
6737     cout << e << endl;
6738      // prints '-1'
6739     ...
6740 @}
6741 @end example
6742
6743 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6744 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6745 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6746 with @code{.hold()}.
6747
6748 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6749 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6750 different function:
6751
6752 @example
6753 static ex cos_evalf(const ex & x)
6754 @{
6755     if (is_a<numeric>(x))
6756         return cos(ex_to<numeric>(x));
6757     else
6758         return cos(x).hold();
6759 @}
6760 @end example
6761
6762 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6763 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6764 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6765 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6766 function would require it in this place.
6767
6768 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6769 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6770 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6771 @code{ex::diff}):
6772
6773 @example
6774 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6775 @{
6776     return -sin(x);
6777 @}
6778 @end example
6779
6780 @cindex product rule
6781 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6782 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6783 case the function has more than one parameter, and its main application
6784 is for correct handling of the chain rule.
6785
6786 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6787 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6788 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6789 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6790
6791 @example
6792 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6793                      int order, unsigned options)
6794 @{
6795     // Find the actual expansion point
6796     const ex x_pt = x.subs(rel);
6797
6798     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6799         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6800
6801     // On a pole, expand sin()/cos()
6802     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6803 @}
6804 @end example
6805
6806 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6807 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6808
6809 @subsection Function options
6810
6811 GiNaC functions understand several more options which are always
6812 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6813 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6814 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6815 functions without any special options.
6816
6817 @example
6818 eval_func(<C++ function>)
6819 evalf_func(<C++ function>)
6820 derivative_func(<C++ function>)
6821 series_func(<C++ function>)
6822 conjugate_func(<C++ function>)
6823 @end example
6824
6825 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6826 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6827 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6828 @code{diff()} and @code{series()}.
6829
6830 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6831 automatic evaluation is desired or possible.
6832
6833 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6834 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6835 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6836 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6837 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6838 suitable transformation.
6839
6840 @example
6841 latex_name(const string & n)
6842 @end example
6843
6844 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6845 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6846
6847 @example
6848 do_not_evalf_params()
6849 @end example
6850
6851 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6852 function before calling the @code{evalf_func()}.
6853
6854 @example
6855 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6856 @end example
6857
6858 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6859 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6860 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6861 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6862 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6863 commutation properties of their first argument.
6864
6865 @example
6866 set_symmetry(const symmetry & s)
6867 @end example
6868
6869 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6870 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6871 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6872 symmetric functions into a canonical order.
6873
6874 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6875 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6876 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6877 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6878 with the
6879
6880 @example
6881 print_func<C>(<C++ function>)
6882 @end example
6883
6884 option which is explained in the next section.
6885
6886 @subsection Functions with a variable number of arguments
6887
6888 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6889 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6890 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6891 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6892 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6893
6894 It is also possible to define functions that accept a different number of
6895 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6896 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6897 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6898 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6899 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6900 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6901 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6902 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6903
6904
6905 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6906 @c    node-name, next, previous, up
6907 @section GiNaC's expression output system
6908
6909 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6910 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
6911 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6912 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6913 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6914 functions.
6915
6916 @cindex @code{print_context} (class)
6917 @cindex @code{print_dflt} (class)
6918 @cindex @code{print_latex} (class)
6919 @cindex @code{print_tree} (class)
6920 @cindex @code{print_csrc} (class)
6921 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6922 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6923 header file:
6924
6925 @table @code
6926 @item print_dflt
6927 the default output format
6928 @item print_latex
6929 output in LaTeX mathematical mode
6930 @item print_tree
6931 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6932 @item print_csrc
6933 the base class for C source output
6934 @item print_csrc_float
6935 C source output using the @code{float} type
6936 @item print_csrc_double
6937 C source output using the @code{double} type
6938 @item print_csrc_cl_N
6939 C source output using CLN types
6940 @end table
6941
6942 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6943
6944 @example
6945 class print_context
6946 @{
6947     ...
6948 public:
6949     std::ostream & s;
6950     unsigned options;
6951 @};
6952 @end example
6953
6954 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6955 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6956 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6957 to print the index dimension which is normally hidden.
6958
6959 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6960 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6961 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6962 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6963
6964 @cindex @code{print()}
6965 @example
6966 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6967 @end example
6968
6969 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6970 top-level algebraic object contained in the expression.
6971
6972 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6973 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6974 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6975 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6976 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6977 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6978 (single) virtual function dispatch.
6979
6980 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6981 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6982 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6983 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6984 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6985 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6986 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6987 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6988 object's class name enclosed in square brackets).
6989
6990 You can think of the print methods of all the different classes and output
6991 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6992 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6993 classes.
6994
6995 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6996 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6997 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6998 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6999 methods at run-time).
7000
7001 @subsection Print methods for classes
7002
7003 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7004 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7005 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7006 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7007 can also be used to override existing methods dynamically.
7008
7009 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7010 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7011 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7012 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7013 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7014 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7015 the class is the one being implemented by
7016 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7017
7018 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7019 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7020 @code{unsigned}.
7021
7022 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7023 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7024 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7025 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7026 private and protected members of @code{T}.
7027
7028 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7029 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7030 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7031 purposes if you write your own output formats.
7032
7033 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7034 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7035 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7036 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7037
7038 @example
7039 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7040                              const print_latex & c,
7041                              unsigned level)
7042 @{
7043     // get the precedence of the 'power' class
7044     unsigned power_prec = p.precedence();
7045
7046     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7047     // we need parentheses around the power
7048     if (level >= power_prec)
7049         c.s << '(';
7050
7051     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7052     // separated by an uparrow
7053     c.s << '@{';
7054     p.op(0).print(c, power_prec);
7055     c.s << "@}\\uparrow@{";
7056     p.op(1).print(c, power_prec);
7057     c.s << '@}';
7058
7059     // don't forget the closing parenthesis
7060     if (level >= power_prec)
7061         c.s << ')';
7062 @}
7063                                                                                 
7064 int main()
7065 @{
7066     // a sample expression
7067     symbol x("x"), y("y");
7068     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7069
7070     // switch to LaTeX mode
7071     cout << latex;
7072
7073     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7074     cout << e << endl;
7075
7076     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7077     // our own one
7078     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7079
7080     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7081     //              \uparrow@{2@}@}"
7082     cout << e << endl;
7083 @}
7084 @end example
7085
7086 Some notes:
7087
7088 @itemize
7089
7090 @item
7091 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7092 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7093
7094 @item
7095 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7096 @code{power} objects for the purpose of printing.
7097
7098 @item
7099 The output of products including negative powers as fractions is also
7100 controlled by the @code{mul} class.
7101
7102 @item
7103 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7104 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7105
7106 @end itemize
7107
7108 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7109 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7110 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7111 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7112 sources, find the method that is installed at startup
7113 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7114 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7115
7116 @subsection Print methods for functions
7117
7118 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7119 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7120 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7121 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7122 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7123
7124 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7125
7126 @example
7127 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7128 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7129                                                                                 
7130 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7131 @{
7132     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7133 @}
7134                                                                                 
7135 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7136 @{
7137     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7138 @}
7139                                                                                 
7140 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7141                        evalf_func(abs_evalf).
7142                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7143                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7144                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7145 @end example
7146
7147 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7148 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7149
7150 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7151
7152 @subsection Adding new output formats
7153
7154 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7155 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7156 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7157 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7158 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7159 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7160 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7161 options value.
7162
7163 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7164
7165 @example
7166 class print_myformat : public print_dflt
7167 @{
7168     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7169 public:
7170     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7171      : print_dflt(os, opt) @{@}
7172 @};
7173
7174 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7175
7176 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7177 @end example
7178
7179 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7180 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7181 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7182 format are implemented as print methods, as described above.
7183
7184 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7185 exactly like GiNaC's default output format:
7186
7187 @example
7188 @{
7189     symbol x("x");
7190     ex e = pow(x, 2) + 1;
7191
7192     // this prints "1+x^2"
7193     cout << e << endl;
7194     
7195     // this also prints "1+x^2"
7196     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7197
7198     ...
7199 @}
7200 @end example
7201
7202 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7203 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7204
7205 @example
7206 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7207 // example above for explanations.
7208 void print_power_as_myformat(const power & p,
7209                              const print_myformat & c,
7210                              unsigned level)
7211 @{
7212     unsigned power_prec = p.precedence();
7213     if (level >= power_prec)
7214         c.s << '(';
7215     p.op(0).print(c, power_prec);
7216     c.s << "**";
7217     p.op(1).print(c, power_prec);
7218     if (level >= power_prec)
7219         c.s << ')';
7220 @}
7221
7222 @{
7223     ...
7224     // install a new print method for power objects
7225     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7226
7227     // now this prints "1+x**2"
7228     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7229
7230     // but the default format is still "1+x^2"
7231     cout << e << endl;
7232 @}
7233 @end example
7234
7235
7236 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7237 @c    node-name, next, previous, up
7238 @section Structures
7239
7240 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7241 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7242 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7243 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7244 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7245
7246 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7247 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7248 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7249 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7250 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7251 read both sections because many common concepts and member functions are
7252 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7253 is most suited to your needs.
7254
7255 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7256 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7257 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7258
7259 @subsection Example: scalar products
7260
7261 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7262 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7263 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7264 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7265 product in a C++ @code{struct}:
7266
7267 @example
7268 #include <iostream>
7269 using namespace std;
7270
7271 #include <ginac/ginac.h>
7272 using namespace GiNaC;
7273
7274 struct sprod_s @{
7275     ex left, right;
7276
7277     sprod_s() @{@}
7278     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7279 @};
7280 @end example
7281
7282 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7283 data structure, we need only one line:
7284
7285 @example
7286 typedef structure<sprod_s> sprod;
7287 @end example
7288
7289 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7290 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7291 expressions like any other GiNaC class:
7292
7293 @example
7294 ...
7295     symbol a("a"), b("b");
7296     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7297 ...
7298 @end example
7299
7300 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7301 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7302 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7303 constructed from an @code{sprod_s} object.
7304
7305 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7306 you could define a little wrapper function like this:
7307
7308 @example
7309 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7310 @{
7311     return sprod(sprod_s(left, right));
7312 @}
7313 @end example
7314
7315 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7316 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7317 @code{get_struct()}:
7318
7319 @example
7320 ...
7321     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7322      // -> a
7323     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7324      // -> b
7325 ...
7326 @end example
7327
7328 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7329
7330 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7331 that deal with scalar products, for example:
7332
7333 @example
7334 ex swap_sprod(ex p)
7335 @{
7336     if (is_a<sprod>(p)) @{
7337         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7338         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7339     @} else
7340         return p;
7341 @}
7342
7343 ...
7344     f = swap_sprod(e);
7345      // f is now <b|a>
7346 ...
7347 @end example
7348
7349 @subsection Structure output
7350
7351 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7352 desired, most notably proper output:
7353
7354 @example
7355 ...
7356     cout << e << endl;
7357      // -> [structure object]
7358 ...
7359 @end example
7360
7361 By default, any structure types you define will be printed as
7362 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7363 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7364 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7365 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7366 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7367 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7368
7369 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7370 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7371
7372 @example
7373 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7374 @{
7375     // tree debug output handled by superclass
7376     if (is_a<print_tree>(c))
7377         inherited::print(c, level);
7378
7379     // get the contained sprod_s object
7380     const sprod_s & sp = get_struct();
7381
7382     // print_context::s is a reference to an ostream
7383     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7384 @}
7385 @end example
7386
7387 Now we can print expressions containing scalar products:
7388
7389 @example
7390 ...
7391     cout << e << endl;
7392      // -> <a|b>
7393     cout << swap_sprod(e) << endl;
7394      // -> <b|a>
7395 ...
7396 @end example
7397
7398 @subsection Comparing structures
7399
7400 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7401 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7402 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7403 and undesired behavior:
7404
7405 @example
7406 ...
7407     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7408      // -> 0
7409     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7410      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7411 ...
7412 @end example
7413
7414 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7415 for objects of type @code{sprod_s}:
7416
7417 @example
7418 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7419 @{
7420     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7421 @}
7422
7423 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7424 @{
7425     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7426            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7427 @}
7428 @end example
7429
7430 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7431 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7432 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7433 in the implementation of these operators because they would construct
7434 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7435 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7436 decide which one is algebraically 'less').
7437
7438 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7439 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7440
7441 @example
7442 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7443 @end example
7444
7445 @code{sprod} objects then behave as expected:
7446
7447 @example
7448 ...
7449     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7450      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7451     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7452      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7453     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7454      // -> 0
7455     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7456      // -> 2*<a|b>
7457 ...
7458 @end example
7459
7460 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7461 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7462 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7463 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7464 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7465 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7466
7467 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7468 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7469 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7470 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7471 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7472 undefined value) that the @code{T} class might have.
7473
7474 @subsection Subexpressions
7475
7476 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7477 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7478 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7479
7480 @example
7481 size_t sprod::nops() const
7482 @{
7483     return 2;
7484 @}
7485
7486 ex sprod::op(size_t i) const
7487 @{
7488     switch (i) @{
7489     case 0:
7490         return get_struct().left;
7491     case 1:
7492         return get_struct().right;
7493     default:
7494         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7495     @}
7496 @}
7497 @end example
7498
7499 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7500 @code{sprod} has two other nice side effects:
7501
7502 @itemize @bullet
7503 @item
7504 @code{has()} works as expected
7505 @item
7506 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7507 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7508 @end itemize
7509
7510 @cindex @code{let_op()}
7511 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7512 allows replacing subexpressions:
7513
7514 @example
7515 ex & sprod::let_op(size_t i)
7516 @{
7517     // every non-const member function must call this
7518     ensure_if_modifiable();
7519
7520     switch (i) @{
7521     case 0:
7522         return get_struct().left;
7523     case 1:
7524         return get_struct().right;
7525     default:
7526         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7527     @}
7528 @}
7529 @end example
7530
7531 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7532 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7533 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7534 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7535
7536 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7537 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7538 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7539 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7540 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7541 This is left as an exercise for the reader.
7542
7543 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7544 you can override by specialization to customize the behavior of your
7545 structures. You are referred to the next section for a description of
7546 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7547 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7548 @code{structure<T>} template: archiving.
7549
7550 @subsection Archiving structures
7551
7552 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7553 should first read the next section and then come back here. You're back?
7554 Good.
7555
7556 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7557 specializations for the @code{archive()} member function and the
7558 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7559 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7560 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7561 the class of an object is stored as a string, the class name.
7562
7563 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7564 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7565 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7566 need to provide a different name for each by specializing the
7567 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7568 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7569
7570 @example
7571 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7572
7573 void sprod::archive(archive_node & n) const
7574 @{
7575     inherited::archive(n);
7576     n.add_ex("left", get_struct().left);
7577     n.add_ex("right", get_struct().right);
7578 @}
7579
7580 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7581 @{
7582     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7583     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7584 @}
7585 @end example
7586
7587 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7588 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7589 @code{sprod::unarchive()} function.
7590
7591
7592 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7593 @c    node-name, next, previous, up
7594 @section Adding classes
7595
7596 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7597 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7598 severe of which being that you can't add any new member functions to
7599 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7600 from scratch.
7601
7602 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7603 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7604 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7605 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7606 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7607 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7608 representing tensor products is more involved but this section should give
7609 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7610 classes if you want to implement something more complicated.
7611
7612 @subsection GiNaC's run-time type information system
7613
7614 @cindex hierarchy of classes
7615 @cindex RTTI
7616 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7617 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7618 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7619 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7620 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7621 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7622 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7623 system that provides this kind of information is called a run-time type
7624 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7625 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7626 implements its own, simpler RTTI.
7627
7628 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7629
7630 @itemize @bullet
7631
7632 @item
7633 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7634 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7635 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7636 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7637
7638 @item
7639 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7640 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7641 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7642 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7643 @file{registrar.h} header file.
7644
7645 @end itemize
7646
7647 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7648 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7649 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7650 macros.
7651
7652 @subsection A minimalistic example
7653
7654 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7655 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7656 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7657 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7658 for your own classes.
7659
7660 The code snippets given here assume that you have included some header files
7661 as follows:
7662
7663 @example
7664 #include <iostream>
7665 #include <string>   
7666 #include <stdexcept>
7667 using namespace std;
7668
7669 #include <ginac/ginac.h>
7670 using namespace GiNaC;
7671 @end example
7672
7673 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7674 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7675 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7676 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7677 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7678 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7679
7680 @example
7681 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7682 @end example
7683
7684 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7685 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7686 object from a C or C++ string:
7687
7688 @example
7689 class mystring : public basic
7690 @{
7691     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7692   
7693 public:
7694     mystring(const string &s);
7695     mystring(const char *s);
7696
7697 private:
7698     string str;
7699 @};
7700
7701 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7702 @end example
7703
7704 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7705 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7706 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7707 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7708 the first line after the opening brace of the class definition. The
7709 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7710 source (at global scope, of course, not inside a function).
7711
7712 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7713 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7714 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7715 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7716 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7717 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7718 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7719 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7720
7721 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7722 class:
7723
7724 @itemize
7725
7726 @item
7727 @code{mystring()}, the default constructor.
7728
7729 @item
7730 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7731 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7732 @code{archive_node}.
7733
7734 @item
7735 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7736 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7737 found in an @code{archive_node}.
7738
7739 @item
7740 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7741 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7742 constructor.
7743
7744 @item
7745 @cindex @code{compare_same_type()}
7746 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7747 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7748 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7749 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7750 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7751 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7752 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7753 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7754 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7755 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7756 defined.
7757
7758 @item
7759 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7760 which are the two constructors we declared.
7761
7762 @end itemize
7763
7764 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7765
7766 @example
7767 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7768 @end example
7769
7770 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7771 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7772 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7773 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7774 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7775 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7776 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7777 to the right value manually.
7778
7779 In the default constructor you should set all other member variables to
7780 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7781 member gets set to an empty string automatically).
7782
7783 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7784 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7785 is really simple.  First, the archiving function:
7786
7787 @example
7788 void mystring::archive(archive_node &n) const
7789 @{
7790     inherited::archive(n);
7791     n.add_string("string", str);
7792 @}
7793 @end example
7794
7795 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7796 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7797 deem necessary for representing the object into the passed
7798 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7799 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7800 file.
7801
7802 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7803 function:
7804
7805 @example
7806 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7807 @{
7808     n.find_string("string", str);
7809 @}
7810 @end example
7811
7812 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7813 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7814 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7815 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7816
7817 Finally, the unarchiving function:
7818
7819 @example
7820 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7821 @{
7822     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7823 @}
7824 @end example
7825
7826 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7827 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7828 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7829 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7830 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7831 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7832 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7833 automatically once it is no longer referenced.
7834
7835 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7836 the string members:
7837
7838 @example
7839 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7840 @{
7841     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7842     int cmpval = str.compare(o.str);
7843     if (cmpval == 0)
7844         return 0;
7845     else if (cmpval < 0)
7846         return -1;
7847     else
7848         return 1;
7849 @}
7850 @end example
7851
7852 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7853 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7854 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7855 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7856 all relevant member variables.
7857
7858 Now the only thing missing is our two new constructors:
7859
7860 @example
7861 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7862 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7863 @end example
7864
7865 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7866 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7867
7868 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7869 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7870
7871 @example
7872 ex e = mystring("Hello, world!");
7873 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7874  // -> 1 (true)
7875
7876 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7877  // -> mystring
7878 @end example
7879
7880 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7881
7882 @example
7883 cout << e << endl;
7884  // -> [mystring object]
7885 @end example
7886
7887 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7888 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7889 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7890 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7891 surrounded by double quotes:
7892
7893 @example
7894 class mystring : public basic
7895 @{
7896     ...
7897 protected:
7898     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7899     ...
7900 @};
7901
7902 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7903 @{
7904     // print_context::s is a reference to an ostream
7905     c.s << '\"' << str << '\"';
7906 @}
7907 @end example
7908
7909 The @code{level} argument is only required for container classes to
7910 correctly parenthesize the output.
7911
7912 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7913 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7914 replace the line
7915
7916 @example
7917 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7918 @end example
7919
7920 with
7921
7922 @example
7923 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7924   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7925 @end example
7926
7927 Let's try again to print the expression:
7928
7929 @example
7930 cout << e << endl;
7931  // -> "Hello, world!"
7932 @end example
7933
7934 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7935 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7936 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7937 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7938 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7939 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7940 way expression output is implemented in GiNaC.
7941
7942 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7943
7944 @example
7945 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7946 cout << e << endl;
7947  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7948 @end example
7949
7950 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7951
7952 @example
7953 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7954 cout << e << endl;
7955  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7956 @end example
7957
7958 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7959 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7960 for your objects.
7961
7962 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7963
7964 @example
7965 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7966 cout << e << endl;
7967  // -> "Wow"^2
7968
7969 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7970 cout << e.expand() << endl;
7971  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7972 @end example
7973
7974 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7975 concatenation. You would have to implement this yourself.
7976
7977 @subsection Automatic evaluation
7978
7979 @cindex evaluation
7980 @cindex @code{eval()}
7981 @cindex @code{hold()}
7982 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7983 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7984 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7985 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7986 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7987 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7988
7989 @example
7990 class mystring : public basic
7991 @{
7992     ...
7993 public:
7994     ex eval(int level = 0) const;
7995     ...
7996 @};
7997
7998 ex mystring::eval(int level) const
7999 @{
8000     string new_str;
8001     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
8002         char c = str[i];
8003         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8004             new_str += tolower(c);
8005         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8006             new_str += c;
8007     @}
8008
8009     if (new_str.length() == 0)
8010         return 0;
8011     else
8012         return mystring(new_str).hold();
8013 @}
8014 @end example
8015
8016 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8017 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8018 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8019 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8020 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8021 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8022 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8023 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8024
8025 Let's confirm that it works:
8026
8027 @example
8028 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8029 cout << e << endl;
8030  // -> "helloworld"
8031
8032 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8033 cout << e << endl;
8034  // -> 3*"wow"
8035 @end example
8036
8037 @subsection Optional member functions
8038
8039 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8040 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8041 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8042
8043 @cindex @code{calchash()}
8044 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8045 @example
8046 unsigned calchash() const;
8047 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8048 @end example
8049
8050 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8051 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8052 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8053 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8054 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8055 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8056
8057 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8058 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8059 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8060 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8061
8062 @subsection Other member functions
8063
8064 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8065 might want to provide:
8066
8067 @example
8068 bool info(unsigned inf) const;
8069 ex evalf(int level = 0) const;
8070 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8071 ex derivative(const symbol & s) const;
8072 @end example
8073
8074 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8075 previous section) you will probably want to override
8076
8077 @cindex @code{let_op()}
8078 @example
8079 size_t nops() cont;
8080 ex op(size_t i) const;
8081 ex & let_op(size_t i);
8082 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8083 ex map(map_function & f) const;
8084 @end example
8085
8086 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8087 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8088 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8089
8090 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8091 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8092 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8093 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8094 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8095 should become a need.
8096
8097 That's it. May the source be with you!
8098
8099
8100 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8101 @c    node-name, next, previous, up
8102 @chapter A Comparison With Other CAS
8103 @cindex advocacy
8104
8105 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8106 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8107 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8108 disadvantages over these systems.
8109
8110 @menu
8111 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8112 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8113 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8114 @end menu
8115
8116 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8117 @c    node-name, next, previous, up
8118 @section Advantages
8119
8120 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8121 Algebra Systems, like 
8122
8123 @itemize @bullet
8124
8125 @item
8126 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8127 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8128 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8129 in common C++, which is standardized.
8130
8131 @cindex STL
8132 @item
8133 structured data types: you can build up structured data types using
8134 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8135 using unnamed lists of lists of lists.
8136
8137 @item
8138 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8139 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8140 nice for novice programmers, but dangerous.
8141     
8142 @item
8143 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8144 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8145 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8146
8147 @item
8148 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8149 separating interface and implementation.
8150
8151 @item
8152 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8153 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8154 C++-compilers for free, too.
8155     
8156 @item
8157 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8158 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8159 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8160 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8161 fix bugs in a traditional system.
8162
8163 @item
8164 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8165 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8166 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8167 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8168 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8169 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8170 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8171 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8172 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8173 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8174 FTP-site.
8175
8176 @item
8177 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8178 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8179 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8180 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8181 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8182 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8183 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8184 system (i.e. @emph{Yacas}).
8185
8186 @item
8187 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8188 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8189 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8190 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8191 speed with other CAS.
8192
8193 @end itemize
8194
8195
8196 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8197 @c    node-name, next, previous, up
8198 @section Disadvantages
8199
8200 Of course it also has some disadvantages:
8201
8202 @itemize @bullet
8203
8204 @item
8205 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8206 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8207 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8208 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8209 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8210 not planned for the near future).
8211
8212 @item
8213 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8214 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8215 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8216 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8217 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8218 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8219 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8220 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8221 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8222 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8223 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8224 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8225 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8226 yet ANSI compliant, support all needed features.
8227     
8228 @end itemize
8229
8230
8231 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8232 @c    node-name, next, previous, up
8233 @section Why C++?
8234
8235 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8236 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8237 possible), separation between interface and implementation is not
8238 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8239 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8240 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8241 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8242 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8243 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8244 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8245 any other programming language.
8246
8247
8248 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8249 @c    node-name, next, previous, up
8250 @appendix Internal structures
8251
8252 @menu
8253 * Expressions are reference counted::
8254 * Internal representation of products and sums::
8255 @end menu
8256
8257 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8258 @c    node-name, next, previous, up
8259 @appendixsection Expressions are reference counted
8260
8261 @cindex reference counting
8262 @cindex copy-on-write
8263 @cindex garbage collection
8264 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8265 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8266 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8267 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8268 skip the rest of this passage.
8269
8270 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8271 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8272 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8273 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8274 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8275 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8276 of code:
8277
8278 @example
8279 #include <iostream>
8280 #include <ginac/ginac.h>
8281 using namespace std;
8282 using namespace GiNaC;
8283
8284 int main()
8285 @{
8286     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8287     ex e1, e2;
8288
8289     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8290     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8291     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8292     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8293     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8294 @}
8295 @end example
8296
8297 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8298 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8299 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8300 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8301 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8302 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8303 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8304 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8305 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8306 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8307 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8308 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8309 can be:
8310
8311 @example
8312 @{
8313     symbol x("x"), y("y");
8314
8315     ex e1 = x + 3*y;
8316     ex e2 = pow(e1, 3);
8317     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8318     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8319          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8320          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8321 @}
8322 @end example
8323
8324 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8325 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8326 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8327 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8328 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8329 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8330 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8331 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8332 @code{3*e1^2}.
8333
8334 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8335 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8336 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8337 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8338 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8339 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8340 semantics, we recommend you have a look at the
8341 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8342 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8343 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8344
8345
8346 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8347 @c    node-name, next, previous, up
8348 @appendixsection Internal representation of products and sums
8349
8350 @cindex representation
8351 @cindex @code{add}
8352 @cindex @code{mul}
8353 @cindex @code{power}
8354 Although it should be completely transparent for the user of
8355 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8356 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8357 unexpanded symbolic expression 
8358 @tex
8359 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8360 @end tex
8361 @ifnottex
8362 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8363 @end ifnottex
8364 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8365 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8366 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8367 fashion:
8368
8369 @image{repnaive}
8370
8371 @cindex pair-wise representation
8372 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8373 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8374 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8375 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8376 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8377 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8378 becomes much more flat:
8379
8380 @image{reppair}
8381
8382 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8383 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8384 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8385 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8386 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8387 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8388 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8389 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8390 representation, however, since they are still carrying a trivial
8391 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8392 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8393 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8394 representation for
8395 @tex
8396 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8397 @end tex
8398 @ifnottex
8399 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8400 @end ifnottex
8401
8402 @image{repreal}
8403
8404 @cindex radical
8405 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8406 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8407 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8408 same abstract class: the data representation is the same, only the
8409 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8410 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8411 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8412
8413
8414 @node Package tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8415 @c    node-name, next, previous, up
8416 @appendix Package tools
8417
8418 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8419 setting the correct command line options for the compiler and linker
8420 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8421
8422 @menu
8423 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8424 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8425 @end menu
8426
8427
8428 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package tools, Package tools
8429 @c    node-name, next, previous, up
8430 @section @command{ginac-config}
8431 @cindex ginac-config
8432
8433 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8434 the compiler and linker command line options required to compile and
8435 link a program with the GiNaC library.
8436
8437 @command{ginac-config} takes the following flags:
8438
8439 @table @samp
8440 @item --version
8441 Prints out the version of GiNaC installed.
8442 @item --cppflags
8443 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8444 @item --libs
8445 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8446 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8447 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8448 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8449 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8450 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8451 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8452 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8453 @end table
8454
8455 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8456 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8457 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8458 example:
8459
8460 @example
8461 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8462 @end example
8463
8464 This command line might expand to (for example):
8465
8466 @example
8467 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8468   -lginac -lcln -lstdc++
8469 @end example
8470
8471 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8472 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8473
8474
8475 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package tools
8476 @c    node-name, next, previous, up
8477 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8478 @cindex AM_PATH_GINAC
8479
8480 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8481 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8482
8483 @example
8484 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8485               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8486 @end example
8487
8488 This macro:
8489
8490 @itemize @bullet
8491
8492 @item
8493 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8494 either found in the user's path, or from the environment variable
8495 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8496
8497 @item
8498 Tests the installed libraries to make sure that their version
8499 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8500 if not specified)
8501
8502 @item
8503 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8504 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8505 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8506 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8507 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8508
8509 @item
8510 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8511 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8512
8513 @end itemize
8514
8515 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8516 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8517 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8518 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8519 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8520
8521 @menu
8522 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8523 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8524 @end menu
8525
8526
8527 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8528 @c    node-name, next, previous, up
8529 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8530
8531 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8532 the configure script.
8533
8534 Notes:
8535
8536 @itemize @bullet
8537
8538 @item
8539 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8540 to be found by your system's dynamic linker.
8541   
8542 This is generally done by
8543
8544 @display
8545 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8546 @end display
8547
8548 or by
8549    
8550 @display
8551 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8552 @end display
8553
8554 or, as a last resort, 
8555  
8556 @display
8557 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8558 running configure, for instance:
8559
8560 @example
8561 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8562 @end example
8563 @end display
8564
8565 @item
8566 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8567 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8568 name of the executable
8569
8570 @item
8571 If you move the GiNaC package from its installed location,
8572 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8573 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8574
8575 @end itemize
8576
8577 Advanced note:
8578
8579 @itemize @bullet
8580 @item
8581 configure flags
8582   
8583 @example
8584 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8585 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8586 @end example
8587
8588 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8589 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8590 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8591 @end itemize
8592
8593
8594 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8595 @c    node-name, next, previous, up
8596 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8597
8598 The following shows how to build a simple package using automake
8599 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8600
8601 @example
8602 #include <iostream>
8603 #include <ginac/ginac.h>
8604
8605 int main()
8606 @{
8607     GiNaC::symbol x("x");
8608     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8609     std::cout << "Derivative of " << a 
8610               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8611     return 0;
8612 @}
8613 @end example
8614
8615 You should first read the introductory portions of the automake
8616 Manual, if you are not already familiar with it.
8617
8618 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8619 configure script:
8620
8621 @example
8622 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8623 AC_INIT(simple.cpp)
8624 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8625
8626 AC_PROG_CXX
8627 AC_PROG_INSTALL
8628 AC_LANG_CPLUSPLUS
8629
8630 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8631   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8632   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8633 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8634
8635 AC_OUTPUT(Makefile)
8636 @end example
8637
8638 The only command in this which is not standard for automake
8639 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8640
8641 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8642 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8643 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8644 the error message `need to have GiNaC installed'
8645
8646 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8647
8648 @example
8649 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8650 bin_PROGRAMS = simple
8651 simple_SOURCES = simple.cpp
8652 @end example
8653
8654 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8655 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8656 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8657 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8658 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8659 adding the lines:
8660
8661 @example
8662 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8663 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8664 @end example
8665
8666 to the @file{Makefile.am}.
8667
8668 To try this example out, create a new directory and add the three
8669 files above to it.
8670
8671 Now execute the following commands:
8672
8673 @example
8674 $ automake --add-missing
8675 $ aclocal
8676 $ autoconf
8677 @end example
8678
8679 You now have a package that can be built in the normal fashion
8680
8681 @example
8682 $ ./configure
8683 $ make
8684 $ make install
8685 @end example
8686
8687
8688 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8689 @c    node-name, next, previous, up
8690 @appendix Bibliography
8691
8692 @itemize @minus{}
8693
8694 @item
8695 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8696
8697 @item
8698 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8699
8700 @item
8701 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8702
8703 @item
8704 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8705
8706 @item
8707 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8708 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8709
8710 @item
8711 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8712 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8713 Academic Press, London
8714
8715 @item
8716 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8717 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8718
8719 @item
8720 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8721 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8722
8723 @item
8724 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8725 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8726
8727 @item
8728 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8729
8730 @end itemize
8731
8732
8733 @node Concept index, , Bibliography, Top
8734 @c    node-name, next, previous, up
8735 @unnumbered Concept index
8736
8737 @printindex cp
8738
8739 @bye