]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
a6befadbcb84506e72c7ac5b0ef83efafb47e549
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2007 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2007 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{} 1999-2007 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. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
488 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
489 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
490 it will refuse to continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval(int level = 0) const;
842 ex basic::eval(int level = 0) const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @image{classhierarchy}
925
926 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
927 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
928 duplication if two or more classes derived from them share certain
929 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
930 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
931 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
932 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
933 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
934 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
935 are stored in the different classes:
936
937 @cartouche
938 @multitable @columnfractions .22 .78
939 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
940 @item @code{constant} @tab Constants like 
941 @tex
942 $\pi$
943 @end tex
944 @ifnottex
945 @math{Pi}
946 @end ifnottex
947 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
948 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
949 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
950 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
951 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
952 @tex
953 $\sqrt{2}$
954 @end tex
955 @ifnottex
956 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
957 @end ifnottex
958 @dots{}
959 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
960 @item @code{function} @tab A symbolic function like
961 @tex
962 $\sin 2x$
963 @end tex
964 @ifnottex
965 @math{sin(2*x)}
966 @end ifnottex
967 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
968 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
969 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
970 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
971 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
972 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
973 @item @code{varidx} @tab Index with variance
974 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
975 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
976 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
977 @end multitable
978 @end cartouche
979
980
981 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
982 @c    node-name, next, previous, up
983 @section Symbols
984 @cindex @code{symbol} (class)
985 @cindex hierarchy of classes
986
987 @cindex atom
988 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
989 manipulation what atoms are for chemistry.
990
991 A typical symbol definition looks like this:
992 @example
993 symbol x("x");
994 @end example
995
996 This definition actually contains three very different things:
997 @itemize
998 @item a C++ variable named @code{x}
999 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1000   represents the symbol in a GiNaC expression
1001 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1002   exclusively for printing expressions holding the symbol
1003 @end itemize
1004
1005 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1006 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1007 throws them away during compilation.
1008
1009 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1010 @example
1011 symbol x;
1012 @end example
1013
1014 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1015 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1016 the output of your calculations will become more readable if you give your
1017 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1018 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1019
1020 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1021 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1022 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1023 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1024 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1025 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1026 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1027 indeterminate.
1028
1029 Observe:
1030 @example
1031 ex f(int n)
1032 @{
1033     symbol x("x");
1034     return pow(x, n);
1035 @}
1036
1037 int main()
1038 @{
1039     symbol x("x");
1040     ex e = f(6);
1041
1042     cout << e << endl;
1043      // prints "x^6" which looks right, but...
1044
1045     cout << e.degree(x) << endl;
1046      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1047      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1048      // prints "0".
1049 @}
1050 @end example
1051
1052 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1053 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1054 @example
1055 ex f(int n, const ex & x)
1056 @{
1057     return pow(x, n);
1058 @}
1059
1060 int main()
1061 @{
1062     symbol x("x");
1063
1064     // Now, f() uses the same symbol.
1065     ex e = f(6, x);
1066
1067     cout << e.degree(x) << endl;
1068      // prints "6", as expected
1069 @}
1070 @end example
1071
1072 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1073 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1074 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1075 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1076 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1077 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1078 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1079 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1080 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1081 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1082 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1083
1084 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1085 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1086 like this one:
1087 @example
1088 const symbol & get_symbol(const string & s)
1089 @{
1090     static map<string, symbol> directory;
1091     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1092     if (i != directory.end())
1093         return i->second;
1094     else
1095         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1096 @}
1097 @end example
1098
1099 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1100 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1101 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1102 this:
1103 @example
1104 ex f(int n)
1105 @{
1106     return pow(get_symbol("x"), n);
1107 @}
1108
1109 int main()
1110 @{
1111     ex e = f(6);
1112
1113     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1114     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1115      // prints "6"
1116 @}
1117 @end example
1118
1119 Instead of creating symbols from strings we could also have
1120 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1121 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1122 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1123 @code{ostringstream}.
1124
1125 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1126 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1127 definitions.
1128
1129 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1130 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1131 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1132 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1133
1134 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1135 in LaTeX output:
1136 @example
1137 symbol x("x", "\\Box");
1138 @end example
1139
1140 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1141 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1142 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1143 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1144 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1145
1146 @cindex @code{subs()}
1147 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1148 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1149 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1150 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1151 (@pxref{Substituting expressions}).
1152
1153 @cindex @code{realsymbol()}
1154 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1155 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1156 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1157 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1158 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1159 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1160 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1161 allows you to specify
1162 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1163 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1164
1165 @cindex @code{possymbol()}
1166 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1167 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1168 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1169
1170
1171 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1172 @c    node-name, next, previous, up
1173 @section Numbers
1174 @cindex @code{numeric} (class)
1175
1176 @cindex GMP
1177 @cindex CLN
1178 @cindex rational
1179 @cindex fraction
1180 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1181 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1182 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1183 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1184 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1185 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1186 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1187 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1188 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1189 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1190 several useful things: First, it introduces the complex number field
1191 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1192 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1193 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1194 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1195 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1196 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1197 calculation of some useful constants.
1198
1199 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1200 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1201 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1202 integers, construction from C-float and construction from a string:
1203
1204 @example
1205 #include <iostream>
1206 #include <ginac/ginac.h>
1207 using namespace GiNaC;
1208
1209 int main()
1210 @{
1211     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1212     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1213     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1214     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1215     // Trott's constant in scientific notation:
1216     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1217     
1218     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1219     ...
1220 @end example
1221
1222 @cindex @code{I}
1223 @cindex complex numbers
1224 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1225 name @code{I}:
1226
1227 @example
1228     ...
1229     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1230     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1231 @}
1232 @end example
1233
1234 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1235 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1236 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1237 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1238 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1239 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1240 also.
1241
1242 @cindex @code{Digits}
1243 @cindex accuracy
1244 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1245 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1246 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1247 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1248 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1249 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1250 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1251 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1252 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1253 digits:
1254
1255 @example
1256 #include <iostream>
1257 #include <ginac/ginac.h>
1258 using namespace std;
1259 using namespace GiNaC;
1260
1261 void foo()
1262 @{
1263     numeric three(3.0), one(1.0);
1264     numeric x = one/three;
1265
1266     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1267     cout << x << endl;
1268     cout << Pi.evalf() << endl;
1269 @}
1270
1271 int main()
1272 @{
1273     foo();
1274     Digits = 60;
1275     foo();
1276     return 0;
1277 @}
1278 @end example
1279
1280 The above example prints the following output to screen:
1281
1282 @example
1283 in 17 digits:
1284 0.33333333333333333334
1285 3.1415926535897932385
1286 in 60 digits:
1287 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1288 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1289 @end example
1290
1291 @cindex rounding
1292 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1293 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1294 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1295 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1296 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1297 architectures with different word size, the above output might even
1298 differ with regard to actually computed digits.
1299
1300 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1301 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1302 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1303
1304 @subsection Tests on numbers
1305
1306 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1307 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1308 kind of information from them like asking whether that number is
1309 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1310 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1311 certain CLN functions.)
1312
1313 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1314 some multiple of its denominator and test what comes out:
1315
1316 @example
1317 #include <iostream>
1318 #include <ginac/ginac.h>
1319 using namespace std;
1320 using namespace GiNaC;
1321
1322 // some very important constants:
1323 const numeric twentyone(21);
1324 const numeric ten(10);
1325 const numeric five(5);
1326
1327 int main()
1328 @{
1329     numeric answer = twentyone;
1330
1331     answer /= five;
1332     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1333     answer *= ten;
1334     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1335 @}
1336 @end example
1337
1338 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1339 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1340 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1341 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1342 the result is automatically converted to a pure integer again.
1343 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1344 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1345 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1346 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1347 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1348 can be applied is listed in the following table.
1349
1350 @cartouche
1351 @multitable @columnfractions .30 .70
1352 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1353 @item @code{.is_zero()}
1354 @tab @dots{}equal to zero
1355 @item @code{.is_positive()}
1356 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1357 @item @code{.is_negative()}
1358 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1359 @item @code{.is_integer()}
1360 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1361 @item @code{.is_pos_integer()}
1362 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1363 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1364 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1365 @item @code{.is_even()}
1366 @tab @dots{}an even integer
1367 @item @code{.is_odd()}
1368 @tab @dots{}an odd integer
1369 @item @code{.is_prime()}
1370 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1371 @item @code{.is_rational()}
1372 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1373 @item @code{.is_real()}
1374 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1375 @item @code{.is_cinteger()}
1376 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1377 @item @code{.is_crational()}
1378 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1379 @end multitable
1380 @end cartouche
1381
1382 @page
1383
1384 @subsection Numeric functions
1385
1386 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1387 evaluated immediately:
1388
1389 @cartouche
1390 @multitable @columnfractions .30 .70
1391 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1392 @item @code{inverse(z)}
1393 @tab returns @math{1/z}
1394 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1395 @item @code{pow(a, b)}
1396 @tab exponentiation @math{a^b}
1397 @item @code{abs(z)}
1398 @tab absolute value
1399 @item @code{real(z)}
1400 @tab real part
1401 @cindex @code{real()}
1402 @item @code{imag(z)}
1403 @tab imaginary part
1404 @cindex @code{imag()}
1405 @item @code{csgn(z)}
1406 @tab complex sign (returns an @code{int})
1407 @item @code{step(x)}
1408 @tab step function (returns an @code{numeric})
1409 @item @code{numer(z)}
1410 @tab numerator of rational or complex rational number
1411 @item @code{denom(z)}
1412 @tab denominator of rational or complex rational number
1413 @item @code{sqrt(z)}
1414 @tab square root
1415 @item @code{isqrt(n)}
1416 @tab integer square root
1417 @cindex @code{isqrt()}
1418 @item @code{sin(z)}
1419 @tab sine
1420 @item @code{cos(z)}
1421 @tab cosine
1422 @item @code{tan(z)}
1423 @tab tangent
1424 @item @code{asin(z)}
1425 @tab inverse sine
1426 @item @code{acos(z)}
1427 @tab inverse cosine
1428 @item @code{atan(z)}
1429 @tab inverse tangent
1430 @item @code{atan(y, x)}
1431 @tab inverse tangent with two arguments
1432 @item @code{sinh(z)}
1433 @tab hyperbolic sine
1434 @item @code{cosh(z)}
1435 @tab hyperbolic cosine
1436 @item @code{tanh(z)}
1437 @tab hyperbolic tangent
1438 @item @code{asinh(z)}
1439 @tab inverse hyperbolic sine
1440 @item @code{acosh(z)}
1441 @tab inverse hyperbolic cosine
1442 @item @code{atanh(z)}
1443 @tab inverse hyperbolic tangent
1444 @item @code{exp(z)}
1445 @tab exponential function
1446 @item @code{log(z)}
1447 @tab natural logarithm
1448 @item @code{Li2(z)}
1449 @tab dilogarithm
1450 @item @code{zeta(z)}
1451 @tab Riemann's zeta function
1452 @item @code{tgamma(z)}
1453 @tab gamma function
1454 @item @code{lgamma(z)}
1455 @tab logarithm of gamma function
1456 @item @code{psi(z)}
1457 @tab psi (digamma) function
1458 @item @code{psi(n, z)}
1459 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1460 @item @code{factorial(n)}
1461 @tab factorial function @math{n!}
1462 @item @code{doublefactorial(n)}
1463 @tab double factorial function @math{n!!}
1464 @cindex @code{doublefactorial()}
1465 @item @code{binomial(n, k)}
1466 @tab binomial coefficients
1467 @item @code{bernoulli(n)}
1468 @tab Bernoulli numbers
1469 @cindex @code{bernoulli()}
1470 @item @code{fibonacci(n)}
1471 @tab Fibonacci numbers
1472 @cindex @code{fibonacci()}
1473 @item @code{mod(a, b)}
1474 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1475 @cindex @code{mod()}
1476 @item @code{smod(a, b)}
1477 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1478 @cindex @code{smod()}
1479 @item @code{irem(a, b)}
1480 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1481 @cindex @code{irem()}
1482 @item @code{irem(a, b, q)}
1483 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1484 @item @code{iquo(a, b)}
1485 @tab integer quotient
1486 @cindex @code{iquo()}
1487 @item @code{iquo(a, b, r)}
1488 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1489 @item @code{gcd(a, b)}
1490 @tab greatest common divisor
1491 @item @code{lcm(a, b)}
1492 @tab least common multiple
1493 @end multitable
1494 @end cartouche
1495
1496 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1497 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1498 as polynomial algorithms.
1499
1500 @subsection Converting numbers
1501
1502 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1503 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1504 class provides a couple of methods for this purpose:
1505
1506 @cindex @code{to_int()}
1507 @cindex @code{to_long()}
1508 @cindex @code{to_double()}
1509 @cindex @code{to_cl_N()}
1510 @example
1511 int numeric::to_int() const;
1512 long numeric::to_long() const;
1513 double numeric::to_double() const;
1514 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1515 @end example
1516
1517 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1518 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1519 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1520 rational number will return a floating-point approximation. Both
1521 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1522 part of complex numbers.
1523
1524
1525 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1526 @c    node-name, next, previous, up
1527 @section Constants
1528 @cindex @code{constant} (class)
1529
1530 @cindex @code{Pi}
1531 @cindex @code{Catalan}
1532 @cindex @code{Euler}
1533 @cindex @code{evalf()}
1534 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1535 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1536
1537 The predefined known constants are:
1538
1539 @cartouche
1540 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1541 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1542 @item @code{Pi}
1543 @tab Archimedes' constant
1544 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1545 @item @code{Catalan}
1546 @tab Catalan's constant
1547 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1548 @item @code{Euler}
1549 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1550 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1551 @end multitable
1552 @end cartouche
1553
1554
1555 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1556 @c    node-name, next, previous, up
1557 @section Sums, products and powers
1558 @cindex polynomial
1559 @cindex @code{add}
1560 @cindex @code{mul}
1561 @cindex @code{power}
1562
1563 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1564 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1565 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1566 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1567 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1568 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1569 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1570 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1571
1572 @example
1573     ...
1574     symbol a("a"), b("b");
1575     ex MyTerm = 1+a*b;
1576     ...
1577 @end example
1578
1579 @cindex @code{pow()}
1580 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1581 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1582 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1583 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1584 have several counterintuitive and undesired effects:
1585
1586 @itemize @bullet
1587 @item
1588 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1589 @item
1590 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1591 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1592 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1593 @item
1594 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1595 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1596 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1597 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1598 has requested @code{2^3}.)
1599 @end itemize
1600
1601 @cindex @command{ginsh}
1602 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1603 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1604 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1605 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1606 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1607 not exist at all in C++).
1608
1609 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1610 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1611 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1612 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1613 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1614 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1615 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1616 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1617 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1618 @code{x} negative.
1619
1620 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1621 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1622 and safe simplifications are carried out like transforming
1623 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1624
1625
1626 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1627 @c    node-name, next, previous, up
1628 @section Lists of expressions
1629 @cindex @code{lst} (class)
1630 @cindex lists
1631 @cindex @code{nops()}
1632 @cindex @code{op()}
1633 @cindex @code{append()}
1634 @cindex @code{prepend()}
1635 @cindex @code{remove_first()}
1636 @cindex @code{remove_last()}
1637 @cindex @code{remove_all()}
1638
1639 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1640 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1641 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1642 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1643 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1644
1645 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1646 expressions:
1647
1648 @example
1649 @{
1650     symbol x("x"), y("y");
1651     lst l;
1652     l = x, 2, y, x+y;
1653     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1654     // in that order
1655     ...
1656 @end example
1657
1658 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1659 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1660
1661 @example
1662     ...
1663     // This produces the same list 'l' as above:
1664     // lst l(x, 2, y, x+y);
1665     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1666     ...
1667 @end example
1668
1669 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1670 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1671 individual elements:
1672
1673 @example
1674     ...
1675     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1676     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1677     ...
1678 @end example
1679
1680 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1681 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1682 sequential access to the elements of a list is possible with the
1683 iterator types provided by the @code{lst} class:
1684
1685 @example
1686 typedef ... lst::const_iterator;
1687 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1688 lst::const_iterator lst::begin() const;
1689 lst::const_iterator lst::end() const;
1690 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1691 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1692 @end example
1693
1694 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1695
1696 @example
1697     ...
1698     // O(N)
1699     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1700         cout << *i << endl;
1701     ...
1702 @end example
1703
1704 which is one order faster than
1705
1706 @example
1707     ...
1708     // O(N^2)
1709     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1710         cout << l.op(i) << endl;
1711     ...
1712 @end example
1713
1714 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1715 the C++ standard library:
1716
1717 @example
1718     ...
1719     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1720     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1721
1722     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1723     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1724     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1725     ...
1726 @end example
1727
1728 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1729 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1730
1731 @example
1732     ...
1733     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1734     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1735     ...
1736 @end example
1737
1738 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1739 and @code{prepend()} methods:
1740
1741 @example
1742     ...
1743     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1744     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1745     ...
1746 @end example
1747
1748 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1749 and @code{remove_last()}:
1750
1751 @example
1752     ...
1753     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1754     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1755     ...
1756 @end example
1757
1758 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1759
1760 @example
1761     ...
1762     l.remove_all();     // l is now empty
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1767
1768 @example
1769     ...
1770     lst l1, l2;
1771     l1 = x, 2, y, x+y;
1772     l2 = 2, x+y, x, y;
1773     l1.sort();
1774     l2.sort();
1775     // l1 and l2 are now equal
1776     ...
1777 @end example
1778
1779 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1780 elements with @code{unique()}:
1781
1782 @example
1783     ...
1784     lst l3;
1785     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1786     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1787 @}
1788 @end example
1789
1790
1791 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1792 @c    node-name, next, previous, up
1793 @section Mathematical functions
1794 @cindex @code{function} (class)
1795 @cindex trigonometric function
1796 @cindex hyperbolic function
1797
1798 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1799 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1800 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1801
1802 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1803 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1804 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1805 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1806 the next example, showing how a function returns itself twice and
1807 finally an expression that may be really useful:
1808
1809 @cindex Gamma function
1810 @cindex @code{subs()}
1811 @example
1812     ...
1813     symbol x("x"), y("y");    
1814     ex foo = x+y/2;
1815     cout << tgamma(foo) << endl;
1816      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1817     ex bar = foo.subs(y==1);
1818     cout << tgamma(bar) << endl;
1819      // -> tgamma(x+1/2)
1820     ex foobar = bar.subs(x==7);
1821     cout << tgamma(foobar) << endl;
1822      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1823     ...
1824 @end example
1825
1826 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1827 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1828 this.
1829
1830 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1831 functions, where the argument list is templated.  This means that
1832 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1833 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1834 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1835 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1836 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1837 point number of class @code{numeric} you should call
1838 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1839 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1840 wrapped inside an @code{ex}.
1841
1842
1843 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1844 @c    node-name, next, previous, up
1845 @section Relations
1846 @cindex @code{relational} (class)
1847
1848 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1849 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1850 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1851 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1852 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1853 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1854
1855 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1856 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1857 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1858 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1859 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1860 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1861 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1862 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1863 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1864 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1865 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1866 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1867 @code{expand()} must be called explicitly.
1868
1869 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1870 @c    node-name, next, previous, up
1871 @section Integrals
1872 @cindex @code{integral} (class)
1873
1874 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1875 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1876 1, you would write this as
1877 @example
1878 integral(x, 0, 1, x*x)
1879 @end example
1880 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1881 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1882 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1883 can be evaluated symbolically by calling the
1884 @example
1885 .eval_integ()
1886 @end example
1887 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1888 @example
1889 .evalf()
1890 @end example
1891 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1892 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1893 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1894 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1895 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1896 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1897 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1898 integrals is determined by the static member variable
1899 @example
1900 ex integral::relative_integration_error
1901 @end example
1902 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1903 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1904 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1905 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1906 variable
1907 @example
1908 int integral::max_integration_level
1909 @end example
1910 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1911 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1912 evaluation, is also available as
1913 @example
1914 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1915                    const ex & error)
1916 @end example
1917 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1918 last parameter of the function is optional and defaults to the
1919 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1920 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1921 a lookup table is used.
1922
1923 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1924 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1925 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1926 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1927 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1928 with respect to the integration variable.
1929
1930 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1931 @c    node-name, next, previous, up
1932 @section Matrices
1933 @cindex @code{matrix} (class)
1934
1935 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1936 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1937 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1938 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1939
1940 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1941 elements. The constructor
1942
1943 @example
1944 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1945 @end example
1946
1947 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1948 set to zero.
1949
1950 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1951 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1952 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1953
1954 @example
1955 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1956 @end example
1957
1958 The function
1959
1960 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1961 @example
1962 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1963 @end example
1964
1965 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1966
1967 There is also a set of functions for creating some special types of
1968 matrices:
1969
1970 @cindex @code{diag_matrix()}
1971 @cindex @code{unit_matrix()}
1972 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1973 @example
1974 ex diag_matrix(const lst & l);
1975 ex unit_matrix(unsigned x);
1976 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1977 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1978 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1979                    const string & tex_base_name);
1980 @end example
1981
1982 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1983 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1984 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1985 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1986 and the position of each element in the matrix.
1987
1988 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1989 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1990 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1991 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1992 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1993 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1994
1995 @cindex @code{sub_matrix()}
1996 @cindex @code{reduced_matrix()}
1997 @example
1998 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1999 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2000 @end example
2001
2002 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2003 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2004 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2005 that specify which row and column to remove:
2006
2007 @example
2008 @{
2009     matrix m(3,3);
2010     m = 11, 12, 13,
2011         21, 22, 23,
2012         31, 32, 33;
2013     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2014     // -> [[11,13],[31,33]]
2015     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2016     // -> [[22,23],[32,33]]
2017 @}
2018 @end example
2019
2020 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2021 operator:
2022
2023 @example
2024 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2025 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2026 @end example
2027
2028 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2029 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2030 @samp{[]} is not available.
2031
2032 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2033
2034 @example
2035 @{
2036     symbol a("a"), b("b");
2037
2038     matrix M(2, 2);
2039     M = a, 0,
2040         0, b;
2041     cout << M << endl;
2042      // -> [[a,0],[0,b]]
2043
2044     matrix M2(2, 2);
2045     M2(0, 0) = a;
2046     M2(1, 1) = b;
2047     cout << M2 << endl;
2048      // -> [[a,0],[0,b]]
2049
2050     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2051      // -> [[a,0],[0,b]]
2052
2053     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2054      // -> [[a,0],[0,b]]
2055
2056     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2057      // -> [[a,0],[0,b]]
2058
2059     cout << unit_matrix(3) << endl;
2060      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2061
2062     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2063      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2064 @}
2065 @end example
2066
2067 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2068 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2069 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2070 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2071 expression is zero or a zero matrix.
2072
2073 @cindex @code{transpose()}
2074 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2075 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2076
2077 @example
2078 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2079 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2080 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2081 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2082 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2083 matrix matrix::transpose() const;
2084 @end example
2085
2086 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2087 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2088 and @math{C}:
2089
2090 @example
2091 @{
2092     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2093     A =  1, 2,
2094          3, 4;
2095     B = -1, 0,
2096          2, 1;
2097     C =  8, 4,
2098          2, 1;
2099
2100     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2101     cout << result << endl;
2102      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2103     ...
2104 @}
2105 @end example
2106
2107 @cindex @code{evalm()}
2108 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2109 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2110 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2111 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2112 method
2113
2114 @example
2115 ex ex::evalm() const;
2116 @end example
2117
2118 to obtain the result:
2119
2120 @example
2121 @{
2122     ...
2123     ex e = A*B - 2*C;
2124     cout << e << endl;
2125      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2126     cout << e.evalm() << endl;
2127      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2128     ...
2129 @}
2130 @end example
2131
2132 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2133 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2134 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2135 dealing with non-commutative expressions.
2136
2137 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2138 to perform the arithmetic:
2139
2140 @example
2141 @{
2142     ...
2143     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2144     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2145     cout << e << endl;
2146      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2147     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2148      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2149 @}
2150 @end example
2151
2152 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2153 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2154 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2155 more information about using matrices with indices, and about indices in
2156 general.
2157
2158 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2159 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2160
2161 @cindex @code{determinant()}
2162 @cindex @code{trace()}
2163 @cindex @code{charpoly()}
2164 @cindex @code{rank()}
2165 @example
2166 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2167 ex matrix::trace() const;
2168 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2169 unsigned matrix::rank() const;
2170 @end example
2171
2172 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2173 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2174 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2175 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2176 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2177 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2178 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2179 quickly.
2180
2181 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2182 @cindex @code{solve()}
2183 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2184 method and linear systems may be solved with:
2185
2186 @example
2187 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2188                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2189 @end example
2190
2191 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2192 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2193 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2194 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2195 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2196 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2197 overdetermined, an exception is thrown.
2198
2199
2200 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2201 @c    node-name, next, previous, up
2202 @section Indexed objects
2203
2204 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2205 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2206 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2207 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2208
2209 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2210 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2211 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2212 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2213
2214 @cindex @code{idx} (class)
2215 @cindex @code{indexed} (class)
2216 @subsection Indexed quantities and their indices
2217
2218 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2219 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2220
2221 @itemize @bullet
2222
2223 @cindex contravariant
2224 @cindex covariant
2225 @cindex variance
2226 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2227 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2228 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2229 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2230 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2231 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2232
2233 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2234 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2235 one or more indices.
2236
2237 @end itemize
2238
2239 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2240 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2241 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2242 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2243 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2244 not visible in the output.
2245
2246 A simple example shall illustrate the concepts:
2247
2248 @example
2249 #include <iostream>
2250 #include <ginac/ginac.h>
2251 using namespace std;
2252 using namespace GiNaC;
2253
2254 int main()
2255 @{
2256     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2257     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2258
2259     symbol A("A");
2260     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2261      // -> A.i.j
2262     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2263      // -> A.i[3].j[3]
2264     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2265     ...
2266 @end example
2267
2268 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2269 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2270 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2271 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2272 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2273 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2274 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2275 @code{j}.
2276
2277 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2278 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2279 as shown above.
2280
2281 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2282 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2283 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2284 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2285 correct and will raise an exception:
2286
2287 @example
2288 symbol i("i"), j("j");
2289 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2290 @end example
2291
2292 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2293 be numeric, and index dimensions symbolic:
2294
2295 @example
2296     ...
2297     symbol B("B"), dim("dim");
2298     cout << 4 * indexed(A, i)
2299           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2300      // -> B.j.2.i+4*A.i
2301     ...
2302 @end example
2303
2304 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2305 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2306 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2307 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2308 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2309
2310 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2311 arbitrary expressions:
2312
2313 @example
2314     ...
2315     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2316      // -> (B+A).(1+2*i)
2317     ...
2318 @end example
2319
2320 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2321 get an error message from this but you will probably not be able to do
2322 anything useful with it.
2323
2324 @cindex @code{get_value()}
2325 @cindex @code{get_dimension()}
2326 The methods
2327
2328 @example
2329 ex idx::get_value();
2330 ex idx::get_dimension();
2331 @end example
2332
2333 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2334 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2335 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2336 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2337
2338 There are also the methods
2339
2340 @example
2341 bool idx::is_numeric();
2342 bool idx::is_symbolic();
2343 bool idx::is_dim_numeric();
2344 bool idx::is_dim_symbolic();
2345 @end example
2346
2347 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2348 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2349 about expressions}) returns information about the index value.
2350
2351 @cindex @code{varidx} (class)
2352 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2353
2354 @example
2355     ...
2356     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2357     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2358     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2359
2360     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2361      // -> A~mu~nu
2362     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2363      // -> A.mu~nu
2364     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2365      // -> A.mu~nu
2366     ...
2367 @end example
2368
2369 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2370 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2371 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2372 constructor. The two methods
2373
2374 @example
2375 bool varidx::is_covariant();
2376 bool varidx::is_contravariant();
2377 @end example
2378
2379 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2380 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2381 method
2382
2383 @example
2384 ex varidx::toggle_variance();
2385 @end example
2386
2387 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2388 variance. By using it you only have to define the index once.
2389
2390 @cindex @code{spinidx} (class)
2391 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2392 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2393
2394 @example
2395     ...
2396     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2397     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2398                                             // contravariant, undotted
2399     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2400     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2401     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2402
2403     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2404      // -> K~C~D
2405     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2406      // -> K.C~*D
2407     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2408      // -> K.*D~D
2409     ...
2410 @end example
2411
2412 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2413 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2414 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2415 methods
2416
2417 @example
2418 bool spinidx::is_dotted();
2419 bool spinidx::is_undotted();
2420 @end example
2421
2422 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2423 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2424 Finally, the two methods
2425
2426 @example
2427 ex spinidx::toggle_dot();
2428 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2429 @end example
2430
2431 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2432 and the same or opposite variance.
2433
2434 @subsection Substituting indices
2435
2436 @cindex @code{subs()}
2437 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2438 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2439 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2440 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2441
2442 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2443 by another index or expression:
2444
2445 @example
2446     ...
2447     ex e = indexed(A, mu_co);
2448     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2449      // -> A.mu becomes A~nu
2450     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2451      // -> A.mu becomes A~0
2452     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2453      // -> A.mu becomes A.0
2454     ...
2455 @end example
2456
2457 The third example shows that trying to replace an index with something that
2458 is not an index will substitute the index value instead.
2459
2460 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2461 another expression:
2462
2463 @example
2464     ...
2465     ex e = indexed(A, mu_co);
2466     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2467      // -> A.mu becomes A.nu
2468     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2469      // -> A.mu becomes A.0
2470     ...
2471 @end example
2472
2473 As you see, with the second method only the value of the index will get
2474 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2475 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2476 whole index by another one with the new dimension.
2477
2478 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2479 expected:
2480
2481 @example
2482     ...
2483     ex e = indexed(A, mu_co);
2484     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2485      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2486     ...
2487 @end example
2488
2489 @subsection Symmetries
2490 @cindex @code{symmetry} (class)
2491 @cindex @code{sy_none()}
2492 @cindex @code{sy_symm()}
2493 @cindex @code{sy_anti()}
2494 @cindex @code{sy_cycl()}
2495
2496 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2497 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2498 that is constructed with the helper functions
2499
2500 @example
2501 symmetry sy_none(...);
2502 symmetry sy_symm(...);
2503 symmetry sy_anti(...);
2504 symmetry sy_cycl(...);
2505 @end example
2506
2507 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2508 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2509 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2510 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2511 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2512 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2513 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2514 all indices.
2515
2516 Here are some examples of symmetry definitions:
2517
2518 @example
2519     ...
2520     // No symmetry:
2521     e = indexed(A, i, j);
2522     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2523     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2524
2525     // Symmetric in all three indices:
2526     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2527     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2528     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2529                                                // different canonical order
2530
2531     // Symmetric in the first two indices only:
2532     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2533     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2534
2535     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2536     // be contiguous):
2537     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2538     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2539
2540     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2541     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2542     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2543     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2544
2545     // Cyclic symmetry in all three indices:
2546     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2547     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2548
2549     // The following examples are invalid constructions that will throw
2550     // an exception at run time.
2551
2552     // An index may not appear multiple times:
2553     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2554     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2555
2556     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2557     // same number of indices:
2558     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2559
2560     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2561     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2562     ...
2563 @end example
2564
2565 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2566 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2567 full symmetry in the first six indices you would write
2568 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2569
2570 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2571 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2572
2573 @example
2574     ...
2575     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2576           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2577      // -> 2*A.j.i
2578     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2579           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2580      // -> 0
2581     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2582           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2583      // -> 0
2584     ...
2585 @end example
2586
2587 @cindex @code{get_free_indices()}
2588 @cindex dummy index
2589 @subsection Dummy indices
2590
2591 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2592 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2593 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2594 dummy nor free indices.
2595
2596 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2597 class and their value must be the same single symbol (an index like
2598 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2599 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2600 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2601
2602 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2603 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2604 of a sum are consistent:
2605
2606 @example
2607 @{
2608     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2609
2610     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2611     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2612
2613     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2614     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2615      // -> (.i,.k)
2616      // 'j' and 'l' are dummy indices
2617
2618     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2619     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2620
2621     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2622       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2623     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2624      // -> (~mu,~rho)
2625      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2626
2627     e = indexed(A, mu, mu);
2628     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2629      // -> (~mu)
2630      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2631      // variance
2632
2633     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2634     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2635      // this will throw an exception:
2636      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2637 @}
2638 @end example
2639
2640 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2641 A dummy index summation like 
2642 @tex
2643 $ a_i b^i$
2644 @end tex
2645 @ifnottex
2646 a.i b~i
2647 @end ifnottex
2648 can be expanded for indices with numeric
2649 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2650 @tex
2651 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2652 @end tex
2653 @ifnottex
2654 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2655 @end ifnottex
2656 This is performed by the function
2657
2658 @example
2659     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2660 @end example
2661
2662 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2663 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2664 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2665 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2666 @tex
2667 $ a_i b^i$
2668 @end tex
2669 @ifnottex
2670 a.i b~i
2671 @end ifnottex
2672 will be expanded to
2673 @tex
2674 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2675 @end tex
2676 @ifnottex
2677 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2678 @end ifnottex
2679
2680
2681 @cindex @code{simplify_indexed()}
2682 @subsection Simplifying indexed expressions
2683
2684 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2685 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2686 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2687 there is the method
2688
2689 @example
2690 ex ex::simplify_indexed();
2691 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2692 @end example
2693
2694 that performs some more expensive operations:
2695
2696 @itemize @bullet
2697 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2698   @code{get_free_indices()} does
2699 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2700   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2701 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2702   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2703   next section)
2704 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2705   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2706 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2707   of two tensors with a user-defined value
2708 @end itemize
2709
2710 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2711 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2712 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2713
2714 @example
2715 @{
2716     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2717     idx i(i_sym, 3);
2718
2719     scalar_products sp;
2720     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2721     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2722     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2723
2724     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2725     cout << e << endl;
2726      // -> (B+A).i*(A+C).i
2727
2728     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2729          << endl;
2730      // -> 4+C.i*B.i
2731 @}
2732 @end example
2733
2734 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2735 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2736 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2737 taken, and the expression to replace it with.
2738
2739 @cindex @code{expand()}
2740 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2741 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2742 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2743
2744 @cindex @code{tensor} (class)
2745 @subsection Predefined tensors
2746
2747 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2748 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2749 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2750 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2751 indices are specified).
2752
2753 @cindex @code{delta_tensor()}
2754 @subsubsection Delta tensor
2755
2756 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2757 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2758 @code{delta_tensor()}:
2759
2760 @example
2761 @{
2762     symbol A("A"), B("B");
2763
2764     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2765         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2766
2767     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2768          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2769     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2770      // -> B.i.j*A.i.j
2771
2772     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2773      // -> 3
2774 @}
2775 @end example
2776
2777 @cindex @code{metric_tensor()}
2778 @subsubsection General metric tensor
2779
2780 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2781 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2782 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2783 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2784
2785 @example
2786 @{
2787     symbol A("A");
2788
2789     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2790
2791     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2792     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2793      // -> A~mu~rho
2794
2795     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2796     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2797      // -> g~mu~rho
2798
2799     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2800       * metric_tensor(nu, rho);
2801     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2802      // -> delta.mu~rho
2803
2804     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2805       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2806         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2807     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2808      // -> 4+A.rho~rho
2809 @}
2810 @end example
2811
2812 @cindex @code{lorentz_g()}
2813 @subsubsection Minkowski metric tensor
2814
2815 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2816 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2817 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2818 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2819 @samp{eta}):
2820
2821 @example
2822 @{
2823     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2824
2825     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2826       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2827     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2828      // -> 1
2829
2830     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2831       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2832     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2833      // -> -1
2834 @}
2835 @end example
2836
2837 @cindex @code{spinor_metric()}
2838 @subsubsection Spinor metric tensor
2839
2840 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2841 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2842 It is output as @samp{eps}:
2843
2844 @example
2845 @{
2846     symbol psi("psi");
2847
2848     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2849     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2850
2851     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2852     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2853      // -> psi~A
2854
2855     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2856     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2857      // -> -psi~B
2858
2859     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2860     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2861      // -> -psi.A
2862
2863     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2864     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2865      // -> psi.B
2866
2867     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2868     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2869      // -> 2
2870
2871     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2872     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2873      // -> -delta.A~C
2874 @}
2875 @end example
2876
2877 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2878
2879 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2880 @cindex @code{lorentz_eps()}
2881 @subsubsection Epsilon tensor
2882
2883 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2884 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2885 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2886 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2887 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2888 @samp{eps}.
2889
2890 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2891 dimensions:
2892
2893 @example
2894 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2895 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2896 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2897                bool pos_sig = false);
2898 @end example
2899
2900 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2901 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2902 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2903 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2904 tensor):
2905
2906 @example
2907 @{
2908     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2909            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2910     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2911         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2912     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2913      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2914
2915     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2916     symbol A("A"), B("B");
2917     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2918     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2919      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2920     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2921     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2922      // -> 0
2923 @}
2924 @end example
2925
2926 @subsection Linear algebra
2927
2928 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2929 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2930 and scalar products):
2931
2932 @example
2933 @{
2934     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2935     symbol x("x"), y("y");
2936
2937     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2938     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2939     A = 1, 2,
2940         3, 4;
2941     X = x, y;
2942
2943     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2944      // -> 5
2945
2946     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2947     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2948      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2949
2950     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2951     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2952      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2953 @}
2954 @end example
2955
2956 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2957 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2958 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2959
2960 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2961 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2962 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2963 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2964
2965 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2966 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2967 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2968 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2969 of the metric tensor.
2970
2971
2972 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2973 @c    node-name, next, previous, up
2974 @section Non-commutative objects
2975
2976 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2977 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2978 physics:
2979
2980 @itemize
2981 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2982 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2983 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2984 @end itemize
2985
2986 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2987 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2988 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2989 @ref{Matrices}.
2990
2991 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2992 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2993 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2994 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2995 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2996 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2997 by their class. Consider this example:
2998
2999 @example
3000     ...
3001     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3002     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3003     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3004     cout << e << endl;
3005      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3006     ...
3007 @end example
3008
3009 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3010 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3011 together while preserving the order of factors within each class (because
3012 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3013 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3014 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3015 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3016
3017 @cindex @code{ncmul} (class)
3018 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3019 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3020 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3021 though.
3022
3023 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3024 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3025 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3026 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3027 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3028 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3029 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3030 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3031
3032 @cindex @code{return_type()}
3033 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3034 Information about the commutativity of an object or expression can be
3035 obtained with the two member functions
3036
3037 @example
3038 unsigned ex::return_type() const;
3039 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3040 @end example
3041
3042 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3043 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3044 expressions in GiNaC:
3045
3046 @itemize @bullet
3047 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3048   classes are of this kind.
3049 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3050   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3051   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3052   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3053   class.
3054 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3055   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3056   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3057   @code{noncommutative_composite} expressions.
3058 @end itemize
3059
3060 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3061 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3062 value that is unique to the class of the object, but may vary every time a
3063 GiNaC program is being run (it is dynamically assigned on start-up).
3064
3065 Here are a couple of examples:
3066
3067 @cartouche
3068 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3069 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3070 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3071 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3072 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3073 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3074 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3075 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3076 @end multitable
3077 @end cartouche
3078
3079 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3080 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3081 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3082 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3083 for color objects.
3084
3085 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3086 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3087 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3088 non-commutative expressions).
3089
3090
3091 @cindex @code{clifford} (class)
3092 @subsection Clifford algebra
3093
3094
3095 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3096 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3097 mathematical). 
3098
3099 @cindex @code{dirac_gamma()}
3100 @subsubsection Dirac gamma matrices
3101 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3102 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3103 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3104 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3105 constructed by the function
3106
3107 @example
3108 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3109 @end example
3110
3111 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3112 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3113 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3114 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3115 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3116 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3117
3118 @cindex @code{dirac_ONE()}
3119 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3120
3121 @example
3122 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3123 @end example
3124
3125 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3126 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3127 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3128 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3129 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3130
3131 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3132 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3133 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3134 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3135
3136 @example
3137 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3138 @end example
3139
3140 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3141 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3142 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3143 objects, constructed by
3144
3145 @example
3146 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3147 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3148 @end example
3149
3150 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3151 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3152
3153 @cindex @code{dirac_slash()}
3154 Finally, the function
3155
3156 @example
3157 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3158 @end example
3159
3160 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3161 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3162 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3163 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3164
3165 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3166 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3167 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3168
3169 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3170 for example
3171
3172 @example
3173 @{
3174     ...
3175     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3176     varidx mu(symbol("mu"), D);
3177     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3178          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3179     cout << e << endl;
3180      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3181     e = e.simplify_indexed();
3182     cout << e << endl;
3183      // -> -D*a\+2*a\
3184     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3185      // -> -2*a\
3186     ...
3187 @}
3188 @end example
3189
3190 @cindex @code{dirac_trace()}
3191 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3192 you use one of the functions
3193
3194 @example
3195 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3196                const ex & trONE = 4);
3197 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3198 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3199 @end example
3200
3201 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3202 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3203 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3204 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3205 element, which defaults to 4.
3206
3207 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3208 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3209 functional is not cyclic in
3210 @tex $D \ne 4$
3211 @end tex
3212 @ifnottex
3213 @math{D != 4}
3214 @end ifnottex
3215 dimensions when acting on
3216 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3217 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3218 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3219
3220 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3221 @tex $D \ne 4$
3222 @end tex
3223 @ifnottex
3224 @math{D != 4}
3225 @end ifnottex
3226 dimensions:
3227
3228 @example
3229 @{
3230     // 4 dimensions
3231     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3232     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3233            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3234     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3235      // -> -8*eta~rho~nu
3236 @}
3237 ...
3238 @{
3239     // D dimensions
3240     symbol D("D");
3241     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3242     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3243            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3244     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3245      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3246 @}
3247 @end example
3248
3249 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3250 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3251 QED:
3252
3253 @example
3254 @{
3255     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3256     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3257
3258     scalar_products sp;
3259     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3260     sp.add(l, q, ldotq);
3261
3262     ex e = dirac_gamma(mu) *
3263            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3264            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3265            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3266     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3267     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3268     cout << e << endl;
3269      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3270 @}
3271 @end example
3272
3273 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3274 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3275 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3276
3277 @example
3278 @{
3279     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3280     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3281     cout << e << endl;
3282      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3283
3284     e = canonicalize_clifford(e);
3285     cout << e << endl;
3286      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3287 @}
3288 @end example
3289
3290 @cindex @code{clifford_unit()}
3291 @subsubsection A generic Clifford algebra
3292
3293 A generic Clifford algebra, i.e. a
3294 @tex $2^n$
3295 @end tex
3296 @ifnottex
3297 2^n
3298 @end ifnottex
3299 dimensional algebra with
3300 generators 
3301 @tex $e_k$
3302 @end tex 
3303 @ifnottex
3304 e_k
3305 @end ifnottex
3306 satisfying the identities 
3307 @tex
3308 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3309 @end tex
3310 @ifnottex
3311 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3312 @end ifnottex
3313 for some bilinear form (@code{metric})
3314 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3315 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3316 function 
3317
3318 @example
3319     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3320 @end example
3321
3322 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3323 indexing the generators.
3324 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3325 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3326 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3327 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3328 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3329 @code{op(0)} will be used.
3330 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3331 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3332
3333 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3334 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3335 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3336 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3337 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3338 Clifford number.
3339
3340 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3341 the Clifford algebra units with a call like that
3342
3343 @example
3344     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3345 @end example
3346
3347 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3348 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3349 automatically. 
3350
3351 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3352 ways. For example 
3353
3354 @example
3355 @{
3356     ... 
3357     idx i(symbol("i"), 4);
3358     realsymbol s("s");
3359     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3360     ex e = clifford_unit(i, M);
3361     ex e0 = e.subs(i == 0);
3362     ex e1 = e.subs(i == 1);
3363     ex e2 = e.subs(i == 2);
3364     ex e3 = e.subs(i == 3);
3365     ...
3366 @}
3367 @end example
3368
3369 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3370 @tex
3371 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3372 @end tex
3373 @ifnottex
3374 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3375 @code{pow(e3, 2) = s}.
3376 @end ifnottex
3377
3378 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3379 A similar effect can be achieved from the function
3380
3381 @example
3382     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3383                        unsigned char rl = 0);
3384     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3385 @end example
3386
3387 which converts a list or vector 
3388 @tex
3389 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3390 @end tex
3391 @ifnottex
3392 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3393 @end ifnottex
3394 into the
3395 Clifford number 
3396 @tex
3397 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3398 @end tex
3399 @ifnottex
3400 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3401 @end ifnottex
3402 with @samp{e.k}
3403 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3404 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3405 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3406 @cindex pseudo-vector
3407 If the number of components supplied
3408 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3409 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3410 pseudo-vector representation: 
3411 @tex
3412 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3413 @end tex
3414 @ifnottex
3415 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3416 @end ifnottex
3417
3418 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3419
3420 @example
3421 @{
3422     ...
3423     idx i(symbol("i"), 4);
3424     realsymbol s("s");
3425     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3426     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3427     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3428     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3429     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3430   ...
3431 @}
3432 @end example
3433
3434 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3435 There is the inverse function 
3436
3437 @example
3438     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3439 @end example
3440
3441 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3442 @tex
3443 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3444 @end tex
3445 @ifnottex
3446 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3447 @end ifnottex
3448 such that the expression is either vector 
3449 @tex
3450 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3451 @end tex
3452 @ifnottex
3453 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3454 @end ifnottex
3455 or pseudo-vector 
3456 @tex
3457 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3458 @end tex
3459 @ifnottex
3460 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3461 @end ifnottex
3462 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3463 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3464 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3465 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3466 @samp{v~k} are calculated as 
3467 @tex
3468 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3469 @end tex
3470 @ifnottex
3471 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3472 @end ifnottex
3473 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3474 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3475 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3476
3477 @cindex @code{clifford_prime()}
3478 @cindex @code{clifford_star()}
3479 @cindex @code{clifford_bar()}
3480 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3481
3482 @example
3483     ex clifford_prime(const ex & e)
3484     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3485     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3486 @end example
3487
3488 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3489 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3490 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3491 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3492 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3493 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3494 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3495 in a product. These functions correspond to the notations
3496 @math{e'},
3497 @tex
3498 $e^*$
3499 @end tex
3500 @ifnottex
3501 e*
3502 @end ifnottex
3503 and
3504 @tex
3505 $\overline{e}$
3506 @end tex
3507 @ifnottex
3508 @code{\bar@{e@}}
3509 @end ifnottex
3510 used in Clifford algebra textbooks.
3511
3512 @cindex @code{clifford_norm()}
3513 The function
3514
3515 @example
3516     ex clifford_norm(const ex & e);
3517 @end example
3518
3519 @cindex @code{clifford_inverse()}
3520 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3521 @tex
3522 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3523 @end tex
3524 @ifnottex
3525 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3526 @end ifnottex
3527  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3528
3529 @example
3530     ex clifford_inverse(const ex & e);
3531 @end example
3532
3533 which calculates it as 
3534 @tex
3535 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3536 @end tex
3537 @ifnottex
3538 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3539 @end ifnottex
3540  If
3541 @tex
3542 $||e|| = 0$
3543 @end tex
3544 @ifnottex
3545 @math{||e||=0}
3546 @end ifnottex
3547 then an exception is raised.
3548
3549 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3550 If a Clifford number happens to be a factor of
3551 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3552 expression by the function
3553
3554 @example
3555     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3556 @end example
3557
3558 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3559 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3560 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3561
3562 The next provided function is
3563
3564 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3565 @example
3566     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3567                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3568                             unsigned char rl = 0);
3569     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3570                             unsigned char rl = 0);
3571 @end example 
3572
3573 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3574 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3575 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3576 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3577 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3578 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3579 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3580 is either a vector or a list holding vector's components.
3581
3582 @cindex @code{clifford_max_label()}
3583 Finally the function
3584
3585 @example
3586 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3587 @end example
3588
3589 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3590 such objects are found it returns the maximal
3591 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3592 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3593 be ignored during the search.
3594  
3595 LaTeX output for Clifford units looks like
3596 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3597 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3598 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3599 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3600 @example
3601     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3602 @end example
3603 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3604 @example
3605     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3606 @end example
3607 prints units with @code{representation_label=0} as 
3608 @tex
3609 $e$,
3610 @end tex
3611 @ifnottex
3612 @code{e},
3613 @end ifnottex
3614 with @code{representation_label=1} as 
3615 @tex
3616 $\tilde{e}$
3617 @end tex
3618 @ifnottex
3619 @code{\tilde@{e@}}
3620 @end ifnottex
3621  and with @code{representation_label=2} as 
3622 @tex
3623 $\breve{e}$.
3624 @end tex
3625 @ifnottex
3626 @code{\breve@{e@}}.
3627 @end ifnottex
3628
3629 @cindex @code{color} (class)
3630 @subsection Color algebra
3631
3632 @cindex @code{color_T()}
3633 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3634 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3635 elements @math{T_a} are constructed by the function
3636
3637 @example
3638 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3639 @end example
3640
3641 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3642 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3643 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3644 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3645 not @code{varidx}.
3646
3647 @cindex @code{color_ONE()}
3648 The unity element of a color algebra is constructed by
3649
3650 @example
3651 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3652 @end example
3653
3654 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3655 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3656 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3657 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3658 GiNaC may produce incorrect results.
3659
3660 @cindex @code{color_d()}
3661 @cindex @code{color_f()}
3662 The functions
3663
3664 @example
3665 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3666 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3667 @end example
3668
3669 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3670 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3671 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3672
3673 These functions evaluate to their numerical values,
3674 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3675 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3676 goes along better with the notations used in physical literature.
3677
3678 @cindex @code{color_h()}
3679 There's an additional function
3680
3681 @example
3682 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3683 @end example
3684
3685 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3686
3687 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3688 expressions containing color objects:
3689
3690 @example
3691 @{
3692     ...
3693     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3694         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3695
3696     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3697     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3698      // -> 0
3699
3700     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3701     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3702      // -> 5/3*delta.k.l
3703
3704     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3705     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3706      // -> 3*delta.k.l
3707
3708     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3709     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3710      // -> -32/3
3711
3712     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3713     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3714      // -> -2/3*T.a
3715
3716     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3717     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3718      // -> -8/9*ONE
3719
3720     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3721     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3722      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3723     ...
3724 @end example
3725
3726 @cindex @code{color_trace()}
3727 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3728 of the functions
3729
3730 @example
3731 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3732 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3733 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3734 @end example
3735
3736 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3737 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3738 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3739 example:
3740
3741 @example
3742     ...
3743     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3744     cout << e << endl;
3745      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3746 @}
3747 @end example
3748
3749
3750 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3751 @c    node-name, next, previous, up
3752 @section Hash Maps
3753 @cindex hash maps
3754 @cindex @code{exhashmap} (class)
3755
3756 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3757 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3758 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3759 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3760
3761 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3762 following differences:
3763
3764 @itemize @bullet
3765 @item
3766 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3767 @item
3768 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3769 @item 
3770 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3771 @item
3772 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3773 @code{ex_is_less}
3774 @item
3775 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3776 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3777 larger than the specified value)
3778 @item
3779 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3780 table
3781 @item 
3782 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3783 @end itemize
3784
3785
3786 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3787 @c    node-name, next, previous, up
3788 @chapter Methods and functions
3789 @cindex polynomial
3790
3791 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3792 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3793 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3794 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3795 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3796 example:
3797
3798 @example
3799     ...
3800     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3801     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3802     ...
3803 @end example
3804
3805 @cindex @code{subs()}
3806 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3807 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3808 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3809 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3810 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3811 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3812 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3813 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3814 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3815 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3816 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3817 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3818 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3819 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3820 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3821 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3822 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3823 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3824 avoided.
3825
3826 @menu
3827 * Information about expressions::
3828 * Numerical evaluation::
3829 * Substituting expressions::
3830 * Pattern matching and advanced substitutions::
3831 * Applying a function on subexpressions::
3832 * Visitors and tree traversal::
3833 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3834 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3835 * Symbolic differentiation::
3836 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3837 * Symmetrization::
3838 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3839 * Multiple polylogarithms::
3840 * Complex expressions::
3841 * Solving linear systems of equations::
3842 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3843 @end menu
3844
3845
3846 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3847 @c    node-name, next, previous, up
3848 @section Getting information about expressions
3849
3850 @subsection Checking expression types
3851 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3852 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3853 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3854 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3855 @cindex @code{info()}
3856 @cindex @code{return_type()}
3857 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3858
3859 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3860 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3861 GiNaC provides a couple of functions for this:
3862
3863 @example
3864 bool is_a<T>(const ex & e);
3865 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3866 bool ex::info(unsigned flag);
3867 unsigned ex::return_type() const;
3868 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3869 @end example
3870
3871 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3872 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3873 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3874 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3875
3876 @example
3877 @{
3878     @dots{}
3879     if (is_a<numeric>(e))
3880         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3881     @dots{}
3882 @}
3883 @end example
3884
3885 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3886 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3887 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3888 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3889
3890 @example
3891 @{
3892     symbol x("x");
3893     ex e1 = 42;
3894     ex e2 = 4*x - 3;
3895     is_a<numeric>(e1);  // true
3896     is_a<numeric>(e2);  // false
3897     is_a<add>(e1);      // false
3898     is_a<add>(e2);      // true
3899     is_a<mul>(e1);      // false
3900     is_a<mul>(e2);      // false
3901 @}
3902 @end example
3903
3904 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3905 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3906 class @samp{T}, not including parent classes.
3907
3908 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3909 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3910 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3911 table:
3912
3913 @cartouche
3914 @multitable @columnfractions .30 .70
3915 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3916 @item @code{numeric}
3917 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3918 @item @code{real}
3919 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3920 @item @code{rational}
3921 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3922 @item @code{integer}
3923 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3924 @item @code{crational}
3925 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3926 @item @code{cinteger}
3927 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3928 @item @code{positive}
3929 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3930 @item @code{negative}
3931 @tab @dots{}not complex and less than 0
3932 @item @code{nonnegative}
3933 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3934 @item @code{posint}
3935 @tab @dots{}an integer greater than 0
3936 @item @code{negint}
3937 @tab @dots{}an integer less than 0
3938 @item @code{nonnegint}
3939 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3940 @item @code{even}
3941 @tab @dots{}an even integer
3942 @item @code{odd}
3943 @tab @dots{}an odd integer
3944 @item @code{prime}
3945 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3946 @item @code{relation}
3947 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3948 @item @code{relation_equal}
3949 @tab @dots{}a @code{==} relation
3950 @item @code{relation_not_equal}
3951 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3952 @item @code{relation_less}
3953 @tab @dots{}a @code{<} relation
3954 @item @code{relation_less_or_equal}
3955 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3956 @item @code{relation_greater}
3957 @tab @dots{}a @code{>} relation
3958 @item @code{relation_greater_or_equal}
3959 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3960 @item @code{symbol}
3961 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3962 @item @code{list}
3963 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3964 @item @code{polynomial}
3965 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3966 @item @code{integer_polynomial}
3967 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3968 @item @code{cinteger_polynomial}
3969 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3970 @item @code{rational_polynomial}
3971 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3972 @item @code{crational_polynomial}
3973 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3974 @item @code{rational_function}
3975 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3976 @item @code{algebraic}
3977 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3978 @end multitable
3979 @end cartouche
3980
3981 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3982 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3983 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3984 for an explanation of these.
3985
3986
3987 @subsection Accessing subexpressions
3988 @cindex container
3989
3990 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3991 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3992 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3993 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3994
3995 @cindex @code{nops()}
3996 @cindex @code{op()}
3997 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3998 use the two methods
3999
4000 @example
4001 size_t ex::nops();
4002 ex ex::op(size_t i);
4003 @end example
4004
4005 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4006 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4007 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4008 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4009 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4010 @math{i>0} are the indices.
4011
4012 @cindex iterators
4013 @cindex @code{const_iterator}
4014 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4015 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4016
4017 @example
4018 const_iterator ex::begin();
4019 const_iterator ex::end();
4020 @end example
4021
4022 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4023 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4024 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4025 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4026
4027 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4028 given expression in three different ways:
4029
4030 @example
4031 @{
4032     ex e = ...
4033
4034     // with nops()/op()
4035     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4036         cout << e.op(i) << endl;
4037
4038     // with iterators
4039     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4040         cout << *i << endl;
4041
4042     // with iterators and STL copy()
4043     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4044 @}
4045 @end example
4046
4047 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4048 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4049 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4050 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4051 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4052 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4053 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4054 methods
4055
4056 @example
4057 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4058 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4059 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4060 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4061 @end example
4062
4063 The following example illustrates the differences between
4064 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4065 @code{const_postorder_iterator}:
4066
4067 @example
4068 @{
4069     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4070     ex e = lst(lst(A, B), C);
4071
4072     std::copy(e.begin(), e.end(),
4073               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4074     // @{A,B@}
4075     // C
4076
4077     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4078               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4079     // @{@{A,B@},C@}
4080     // @{A,B@}
4081     // A
4082     // B
4083     // C
4084
4085     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4086               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4087     // A
4088     // B
4089     // @{A,B@}
4090     // C
4091     // @{@{A,B@},C@}
4092 @}
4093 @end example
4094
4095 @cindex @code{relational} (class)
4096 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4097 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4098 methods
4099
4100 @example
4101 ex ex::lhs();
4102 ex ex::rhs();
4103 @end example
4104
4105
4106 @subsection Comparing expressions
4107 @cindex @code{is_equal()}
4108 @cindex @code{is_zero()}
4109
4110 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4111 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4112 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4113 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4114 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4115 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4116 @code{false}.
4117
4118 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4119 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4120 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4121
4122 There are also two methods
4123
4124 @example
4125 bool ex::is_equal(const ex & other);
4126 bool ex::is_zero();
4127 @end example
4128
4129 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4130 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4131 @pxref{Matrices}. 
4132
4133
4134 @subsection Ordering expressions
4135 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4136 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4137 @cindex @code{compare()}
4138
4139 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4140 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4141 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4142 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4143
4144 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4145 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4146 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4147 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4148 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4149 yield @code{true}.
4150
4151 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4152 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4153 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4154 predicates to the STL:
4155
4156 @example
4157 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4158 public:
4159     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4160 @};
4161
4162 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4163 public:
4164     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4165 @};
4166 @end example
4167
4168 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4169 have to use
4170
4171 @example
4172 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4173 @end example
4174
4175 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4176 bugs because the map operates improperly.
4177
4178 Other examples for the use of the functors:
4179
4180 @example
4181 std::vector<ex> v;
4182 // fill vector
4183 ...
4184
4185 // sort vector
4186 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4187
4188 // count the number of expressions equal to '1'
4189 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4190                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4191 @end example
4192
4193 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4194
4195 @example
4196 int ex::compare(const ex & other) const;
4197 @end example
4198
4199 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4200 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4201 after @code{other}.
4202
4203
4204 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4205 @c    node-name, next, previous, up
4206 @section Numerical evaluation
4207 @cindex @code{evalf()}
4208
4209 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4210 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4211
4212 @example
4213 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4214 @end example
4215
4216 @cindex @code{Digits}
4217 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4218 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4219 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4220
4221 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4222 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4223
4224 @example
4225 @{
4226     // Approximate sin(x/Pi)
4227     symbol x("x");
4228     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4229
4230     // Evaluate numerically at x=0.1
4231     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4232
4233     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4234     if (is_a<numeric>(f)) @{
4235         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4236         cout << d << endl;
4237          // -> 0.0318256
4238     @} else
4239         // error
4240 @}
4241 @end example
4242
4243
4244 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4245 @c    node-name, next, previous, up
4246 @section Substituting expressions
4247 @cindex @code{subs()}
4248
4249 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4250 expressions via the @code{.subs()} method:
4251
4252 @example
4253 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4254 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4255 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4256 @end example
4257
4258 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4259 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4260
4261 @example
4262 @{
4263     symbol x("x"), y("y");
4264
4265     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4266     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4267      // -> 73
4268
4269     ex e2 = x*y + x;
4270     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4271      // -> -10
4272 @}
4273 @end example
4274
4275 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4276 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4277
4278 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4279 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4280 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4281 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4282 be substituted is large or unknown.
4283
4284 Using this form, the second example from above would look like this:
4285
4286 @example
4287 @{
4288     symbol x("x"), y("y");
4289     ex e2 = x*y + x;
4290
4291     exmap m;
4292     m[x] = -2;
4293     m[y] = 4;
4294     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4295 @}
4296 @end example
4297
4298 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4299 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4300 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4301
4302 @example
4303 @{
4304     symbol x("x"), y("y");
4305     ex e2 = x*y + x;
4306
4307     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4308 @}
4309 @end example
4310
4311 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4312 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4313 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4314 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4315 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4316 algebraic substitutions in products and powers.
4317 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4318 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4319 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4320 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4321 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4322 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4323
4324 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4325 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4326 following example:
4327
4328 @example
4329 @{
4330     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4331
4332     ex e1 = pow(x+y, 2);
4333     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4334      // -> 16
4335
4336     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4337     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4338      // -> cos(x)^2*sin(y)
4339
4340     ex e3 = x+y+z;
4341     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4342      // -> x+y+z
4343      // (and not 4+z as one might expect)
4344 @}
4345 @end example
4346
4347 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4348 next section.
4349
4350
4351 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4352 @c    node-name, next, previous, up
4353 @section Pattern matching and advanced substitutions
4354 @cindex @code{wildcard} (class)
4355 @cindex Pattern matching
4356
4357 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4358 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4359 substituting expressions in a more general way.
4360
4361 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4362 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4363 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4364 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4365 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4366 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4367 with the call
4368
4369 @example
4370 ex wild(unsigned label = 0);
4371 @end example
4372
4373 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4374 name.
4375
4376 Some examples for patterns:
4377
4378 @multitable @columnfractions .5 .5
4379 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4380 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4381 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4382 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4383 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4384 @end multitable
4385
4386 Notes:
4387
4388 @itemize @bullet
4389 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4390   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4391 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4392   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4393   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4394 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4395   possible to use them as placeholders for other properties like index
4396   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4397   etc.
4398 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4399   as part of noncommutative products.
4400 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4401   are also valid patterns.
4402 @end itemize
4403
4404 @subsection Matching expressions
4405 @cindex @code{match()}
4406 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4407 matches a given pattern. This is done by the function
4408
4409 @example
4410 bool ex::match(const ex & pattern);
4411 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4412 @end example
4413
4414 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4415 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4416 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4417 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4418 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4419 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4420 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4421 expressions by passing in the result of a previous match.
4422
4423 The matching algorithm works as follows:
4424
4425 @itemize
4426 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4427   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4428   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4429   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4430 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4431   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4432   etc.).
4433 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4434   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4435 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4436   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4437   of the pattern.
4438 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4439   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4440 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4441   match the corresponding subexpression of the pattern.
4442 @end itemize
4443
4444 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4445 account for their commutativity and associativity:
4446
4447 @itemize
4448 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4449   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4450   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4451   way.
4452 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4453   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4454   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4455   further matches.
4456 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4457   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4458   which case this wildcard matches the remaining terms.
4459 @end itemize
4460
4461 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4462 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4463 ambiguous results.
4464
4465 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4466 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4467 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4468
4469 @example
4470 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4471 @{@}
4472 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4473 FAIL
4474 > match((x+y)^a,$1^$2);
4475 @{$1==x+y,$2==a@}
4476 > match((x+y)^a,$1^$1);
4477 FAIL
4478 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4479 @{$1==x+y@}
4480 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4481 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4482 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4483 @{$1==a@}
4484 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4485 @{$1==b,$2==c@}
4486   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4487 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4488   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4489    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4490    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4491    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4492    fail.)
4493 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4494   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4495    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4496 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4497 FAIL
4498 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4499 @{$0==a+e+b+f+d@}
4500 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4501 @{$0==a+b+f+d@}
4502 > match(a+b,a+b+$0);
4503 @{$0==0@}
4504 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4505 FAIL
4506   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4507    even though a==a^1.)
4508 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4509 @{$0==x@}
4510 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4511 @{$0==x^2@}
4512 @end example
4513
4514 @subsection Matching parts of expressions
4515 @cindex @code{has()}
4516 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4517 member function
4518
4519 @example
4520 bool ex::has(const ex & pattern);
4521 @end example
4522
4523 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4524 by any of its subexpressions.
4525
4526 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4527 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4528
4529 @example
4530 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4531 1
4532 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4533 0
4534   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4535    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4536 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4537 1
4538   (But this is possible.)
4539 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4540 0
4541   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4542    which "x+y" is not a subexpression.)
4543 > has(x+1,x^$1);
4544 0
4545   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4546    "x^something".)
4547 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4548 1
4549 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4550 0
4551   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4552    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4553    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4554 @end example
4555
4556 @cindex @code{find()}
4557 The method
4558
4559 @example
4560 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4561 @end example
4562
4563 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4564 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4565 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4566 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4567 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4568
4569 @example
4570 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4571 @{x@}
4572 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4573 @{@}
4574 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4575 @{x^3,x^2@}
4576   (Note the absence of "x".)
4577 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4578 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4579 > find(%,sin($1));
4580 @{sin(y),sin(x)@}
4581 @end example
4582
4583 @subsection Substituting expressions
4584 @cindex @code{subs()}
4585 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4586 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4587 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4588 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4589 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4590
4591 Some examples:
4592
4593 @example
4594 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4595 b^3+a^3+(x+y)^3
4596 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4597 b^4+a^4+(x+y)^4
4598 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4599 (a+b+c)^2
4600 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4601 (x+c)^2
4602 > subs(a+2*b,a+b==x);
4603 a+2*b
4604 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4605 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4606 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4607 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4608 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4609 cos(1+cos(x))
4610 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4611 a+b
4612 @end example
4613
4614 The last example would be written in C++ in this way:
4615
4616 @example
4617 @{
4618     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4619     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4620     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4621     cout << e.expand() << endl;
4622      // -> a+b
4623 @}
4624 @end example
4625
4626 @subsection The option algebraic
4627 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4628 extra options. This section describes what happens if you give the former
4629 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4630 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4631 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4632 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4633 If you use these options you will find that
4634 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4635 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4636 often as is possible without getting negative exponents. For example
4637 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4638 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4639 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4640 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4641
4642 @strong{Note:} this only works for multiplications
4643 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4644
4645
4646 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4647 @c    node-name, next, previous, up
4648 @section Applying a function on subexpressions
4649 @cindex tree traversal
4650 @cindex @code{map()}
4651
4652 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4653 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4654 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4655 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4656 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4657 to do this manually which usually results in code like this:
4658
4659 @example
4660 ex calc_trace(ex e)
4661 @{
4662     if (is_a<matrix>(e))
4663         return ex_to<matrix>(e).trace();
4664     else if (is_a<add>(e)) @{
4665         ex sum = 0;
4666         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4667             sum += calc_trace(e.op(i));
4668         return sum;
4669     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4670         ...
4671     @} else @{
4672         ...
4673     @}
4674 @}
4675 @end example
4676
4677 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4678 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4679 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4680 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4681 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4682
4683 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4684 operations:
4685
4686 @example
4687 ex ex::map(map_function & f) const;
4688 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4689 @end example
4690
4691 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4692 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4693 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4694 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4695 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4696 non-recursively.
4697
4698 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4699 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4700 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4701 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4702 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4703
4704 @example
4705 struct calc_trace : public map_function @{
4706     ex operator()(const ex &e)
4707     @{
4708         if (is_a<matrix>(e))
4709             return ex_to<matrix>(e).trace();
4710         else if (is_a<mul>(e)) @{
4711             ...
4712         @} else
4713             return e.map(*this);
4714     @}
4715 @};
4716 @end example
4717
4718 This function object could then be used like this:
4719
4720 @example
4721 @{
4722     ex M = ... // expression with matrices
4723     calc_trace do_trace;
4724     ex tr = do_trace(M);
4725 @}
4726 @end example
4727
4728 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4729 terms in a variable from an expanded polynomial:
4730
4731 @example
4732 struct map_rem_quad : public map_function @{
4733     ex var;
4734     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4735
4736     ex operator()(const ex & e)
4737     @{
4738         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4739             return e.map(*this);
4740         else if (is_a<power>(e) && 
4741                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4742             return 0;
4743         else
4744             return e;
4745     @}
4746 @};
4747
4748 ...
4749
4750 @{
4751     symbol x("x"), y("y");
4752
4753     ex e;
4754     for (int i=0; i<8; i++)
4755         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4756     cout << e << endl;
4757      // -> 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
4758
4759     map_rem_quad rem_quad(x);
4760     cout << rem_quad(e) << endl;
4761      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4762 @}
4763 @end example
4764
4765 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4766 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4767 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4768 acts as the placeholder for the operands:
4769
4770 @example
4771 > map(a*b,sin($0));
4772 sin(a)*sin(b)
4773 > map(a+2*b,sin($0));
4774 sin(a)+sin(2*b)
4775 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4776 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4777 @end example
4778
4779 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4780 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4781 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4782
4783 @example
4784 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4785 @{0,0,0@}
4786   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4787   to "map(@{a,b,c@},0)".
4788 @end example
4789
4790
4791 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4792 @c    node-name, next, previous, up
4793 @section Visitors and tree traversal
4794 @cindex tree traversal
4795 @cindex @code{visitor} (class)
4796 @cindex @code{accept()}
4797 @cindex @code{visit()}
4798 @cindex @code{traverse()}
4799 @cindex @code{traverse_preorder()}
4800 @cindex @code{traverse_postorder()}
4801
4802 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4803 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4804 indices with variance you always want the covariant version returned.
4805
4806 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4807 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4808 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4809 with variance, one for plain ones).
4810
4811 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4812 such as the following:
4813
4814 @example
4815 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4816 @{
4817     if (is_a<varidx>(e)) @{
4818         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4819         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4820     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4821         l.append(e);
4822     @} else @{
4823         size_t n = e.nops();
4824         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4825             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4826     @}
4827 @}
4828
4829 lst gather_indices(const ex & e)
4830 @{
4831     lst l;
4832     gather_indices_helper(e, l);
4833     l.sort();
4834     l.unique();
4835     return l;
4836 @}
4837 @end example
4838
4839 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4840 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4841 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4842
4843 @example
4844     if (is_a<idx>(e)) @{
4845       ...
4846     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4847       ...
4848 @end example
4849
4850 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4851 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4852 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4853 executed.
4854
4855 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4856 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4857 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4858 write a function that required a different implementation for nearly
4859 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4860
4861 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4862 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4863 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4864 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4865 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4866 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4867 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4868 presented this would be impractical.
4869
4870 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4871 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4872 variation, described in detail in
4873 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4874 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4875 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4876 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4877 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4878 object that @code{accept()} was being invoked on.
4879
4880 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4881 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4882 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4883 each class.
4884
4885 A call of
4886
4887 @example
4888 void ex::accept(visitor & v) const;
4889 @end example
4890
4891 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4892 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4893 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4894
4895 Here is an example of a visitor:
4896
4897 @example
4898 class my_visitor
4899  : public visitor,          // this is required
4900    public add::visitor,     // visit add objects
4901    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4902    public basic::visitor    // visit basic objects
4903 @{
4904     void visit(const add & x)
4905     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4906
4907     void visit(const numeric & x)
4908     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4909
4910     void visit(const basic & x)
4911     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4912 @};
4913 @end example
4914
4915 which can be used as follows:
4916
4917 @example
4918 ...
4919     symbol x("x");
4920     ex e1 = 42;
4921     ex e2 = 4*x-3;
4922     ex e3 = 8*x;
4923
4924     my_visitor v;
4925     e1.accept(v);
4926      // prints "called with a numeric object"
4927     e2.accept(v);
4928      // prints "called with an add object"
4929     e3.accept(v);
4930      // prints "called with a basic object"
4931 ...
4932 @end example
4933
4934 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4935 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4936
4937 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4938 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4939 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4940 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4941 hierarchies of visitors.
4942
4943 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4944
4945 @example
4946 class gather_indices_visitor
4947  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4948 @{
4949     lst l;
4950
4951     void visit(const idx & i)
4952     @{
4953         l.append(i);
4954     @}
4955
4956     void visit(const varidx & vi)
4957     @{
4958         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4959     @}
4960
4961 public:
4962     const lst & get_result() // utility function
4963     @{
4964         l.sort();
4965         l.unique();
4966         return l;
4967     @}
4968 @};
4969 @end example
4970
4971 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4972 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4973
4974 @example
4975 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4976 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4977 void ex::traverse(visitor & v) const;
4978 @end example
4979
4980 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4981 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4982 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4983 @code{traverse_preorder()}.
4984
4985 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4986 and @code{traverse()}:
4987
4988 @example
4989 lst gather_indices(const ex & e)
4990 @{
4991     gather_indices_visitor v;
4992     e.traverse(v);
4993     return v.get_result();
4994 @}
4995 @end example
4996
4997 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4998 traversal:
4999
5000 @example
5001 lst gather_indices(const ex & e)
5002 @{
5003     gather_indices_visitor v;
5004     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5005          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5006         i->accept(v);
5007     @}
5008     return v.get_result();
5009 @}
5010 @end example
5011
5012
5013 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5014 @c    node-name, next, previous, up
5015 @section Polynomial arithmetic
5016
5017 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5018 @cindex @code{is_polynomial()}
5019
5020 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5021 can be done with the method
5022 @example
5023 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5024 @end example
5025 In the case of more than
5026 one variable, the variables are given as a list.
5027
5028 @example
5029 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5030 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5031 @end example
5032
5033 @subsection Expanding and collecting
5034 @cindex @code{expand()}
5035 @cindex @code{collect()}
5036 @cindex @code{collect_common_factors()}
5037
5038 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5039 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5040 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5041 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5042 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5043 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5044 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5045 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5046 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5047 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5048 x*z}.
5049
5050 To bring an expression into expanded form, its method
5051
5052 @example
5053 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5054 @end example
5055
5056 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5057 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5058 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5059 orderings of terms in such sums!
5060
5061 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5062 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5063 being polynomials in the remaining variables.  The method
5064 @code{collect()} accomplishes this task:
5065
5066 @example
5067 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5068 @end example
5069
5070 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5071 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5072 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5073 by the @code{distributed} flag.
5074
5075 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5076 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5077 coefficients properly.
5078
5079 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5080 together with @code{find()}:
5081
5082 @example
5083 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5084 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)
5085 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5086 > collect(a,@{p,q@});
5087 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5088 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5089 > collect(a,find(a,sin($1)));
5090 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5091 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5092 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5093 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5094 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5095 @end example
5096
5097 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5098 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5099
5100 @example
5101 ex collect_common_factors(const ex & e);
5102 @end example
5103
5104 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5105 factors which are already explicitly present:
5106
5107 @example
5108 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5109 (x+y)*a
5110 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5111 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5112 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5113 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5114 @end example
5115
5116 @subsection Degree and coefficients
5117 @cindex @code{degree()}
5118 @cindex @code{ldegree()}
5119 @cindex @code{coeff()}
5120
5121 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5122 methods
5123
5124 @example
5125 int ex::degree(const ex & s);
5126 int ex::ldegree(const ex & s);
5127 @end example
5128
5129 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5130 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5131 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5132 an expanded polynomial you use
5133
5134 @example
5135 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5136 @end example
5137
5138 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5139
5140 @example
5141 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5142 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5143 @end example
5144
5145 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5146 respectively.
5147
5148 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5149 polynomial is analyzed:
5150
5151 @example
5152 @{
5153     symbol x("x"), y("y");
5154     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5155                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5156     ex Poly = PolyInp.expand();
5157     
5158     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5159         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5160              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5161     @}
5162     cout << "As polynomial in y: " 
5163          << Poly.collect(y) << endl;
5164 @}
5165 @end example
5166
5167 When run, it returns an output in the following fashion:
5168
5169 @example
5170 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5171 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5172 The x^2-coefficient is -1
5173 The x^3-coefficient is 4*y
5174 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5175 @end example
5176
5177 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5178 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5179 within the user's sphere of influence.
5180
5181 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5182 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5183 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5184 constants, functions and indexed objects as well:
5185
5186 @example
5187 @{
5188     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5189     idx i(symbol("i"), 3);
5190
5191     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5192     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5193      // -> 4
5194     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5195      // -> -4*cos(x)
5196
5197     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5198     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5199     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5200      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5201 @}
5202 @end example
5203
5204
5205 @subsection Polynomial division
5206 @cindex polynomial division
5207 @cindex quotient
5208 @cindex remainder
5209 @cindex pseudo-remainder
5210 @cindex @code{quo()}
5211 @cindex @code{rem()}
5212 @cindex @code{prem()}
5213 @cindex @code{divide()}
5214
5215 The two functions
5216
5217 @example
5218 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5219 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5220 @end example
5221
5222 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5223 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5224
5225 The additional function
5226
5227 @example
5228 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5229 @end example
5230
5231 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5232 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5233
5234 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5235
5236 @example
5237 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5238 @end example
5239
5240 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5241 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5242 in which case the value of @code{q} is undefined.
5243
5244
5245 @subsection Unit, content and primitive part
5246 @cindex @code{unit()}
5247 @cindex @code{content()}
5248 @cindex @code{primpart()}
5249 @cindex @code{unitcontprim()}
5250
5251 The methods
5252
5253 @example
5254 ex ex::unit(const ex & x);
5255 ex ex::content(const ex & x);
5256 ex ex::primpart(const ex & x);
5257 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5258 @end example
5259
5260 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5261 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5262 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5263 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5264 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5265 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5266 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5267 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5268
5269 Additionally, the method
5270
5271 @example
5272 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5273 @end example
5274
5275 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5276 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5277
5278
5279 @subsection GCD, LCM and resultant
5280 @cindex GCD
5281 @cindex LCM
5282 @cindex @code{gcd()}
5283 @cindex @code{lcm()}
5284
5285 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5286 multiple have the synopsis
5287
5288 @example
5289 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5290 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5291 @end example
5292
5293 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5294 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5295 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5296 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5297 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5298 the coefficients must be rationals.
5299
5300 @example
5301 #include <ginac/ginac.h>
5302 using namespace GiNaC;
5303
5304 int main()
5305 @{
5306     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5307     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5308     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5309
5310     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5311     // x + 5*y + 4*z
5312     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5313     // 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
5314 @}
5315 @end example
5316
5317 @cindex resultant
5318 @cindex @code{resultant()}
5319
5320 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5321 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5322 expressions. The function has the interface
5323
5324 @example
5325 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5326 @end example
5327
5328 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5329 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5330 @code{y}, respectively:
5331
5332 @example
5333 #include <ginac/ginac.h>
5334 using namespace GiNaC;
5335
5336 int main()
5337 @{
5338     symbol x("x"), y("y");
5339
5340     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5341     ex r;
5342     
5343     r = resultant(e1, e2, x); 
5344     // -> 1+2*y^6
5345     r = resultant(e1, e2, y); 
5346     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5347 @}
5348 @end example
5349
5350 @subsection Square-free decomposition
5351 @cindex square-free decomposition
5352 @cindex factorization
5353 @cindex @code{sqrfree()}
5354
5355 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5356 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5357 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5358 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5359 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5360 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5361 one, too:
5362 @example
5363 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5364 @end example
5365 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5366 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5367 some care with subsequent processing of the result:
5368 @example
5369     ...
5370     symbol x("x"), y("y");
5371     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5372
5373     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5374      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5375
5376     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5377      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5378
5379     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5380      // -> depending on luck, any of the above
5381     ...
5382 @end example
5383 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5384 with this method.
5385
5386
5387 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5388 @c    node-name, next, previous, up
5389 @section Rational expressions
5390
5391 @subsection The @code{normal} method
5392 @cindex @code{normal()}
5393 @cindex simplification
5394 @cindex temporary replacement
5395
5396 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5397 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5398 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5399 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5400 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5401 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5402
5403 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5404 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5405 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5406 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5407 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5408 @code{.to_rational()}, described below.
5409
5410 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5411 simplified in this little code snippet:
5412
5413 @example
5414 @{
5415     symbol x("x");
5416     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5417     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5418     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5419     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5420 @}
5421 @end example
5422
5423 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5424 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5425 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5426
5427
5428 @subsection Numerator and denominator
5429 @cindex numerator
5430 @cindex denominator
5431 @cindex @code{numer()}
5432 @cindex @code{denom()}
5433 @cindex @code{numer_denom()}
5434
5435 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5436
5437 @example
5438 ex ex::numer();
5439 ex ex::denom();
5440 ex ex::numer_denom();
5441 @end example
5442
5443 These functions will first normalize the expression as described above and
5444 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5445 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5446 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5447
5448
5449 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5450 @cindex @code{to_polynomial()}
5451 @cindex @code{to_rational()}
5452
5453 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5454 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5455 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5456 above. You do this by calling
5457
5458 @example
5459 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5460 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5461 @end example
5462 or
5463 @example
5464 ex ex::to_rational(exmap & m);
5465 ex ex::to_rational(lst & l);
5466 @end example
5467
5468 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5469 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5470 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5471 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5472 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5473 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5474
5475 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5476 is probably best illustrated with an example:
5477
5478 @example
5479 @{
5480     symbol x("x"), y("y");
5481     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5482     cout << a << endl;
5483
5484     lst lp;
5485     ex p = a.to_polynomial(lp);
5486     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5487      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5488      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5489
5490     lst lr;
5491     ex r = a.to_rational(lr);
5492     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5493      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5494      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5495 @}
5496 @end example
5497
5498 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5499
5500 @example
5501 @{
5502     symbol x("x");
5503     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5504     ex b = sin(x) + cos(x);
5505     ex q;
5506     exmap m;
5507     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5508     cout << q.subs(m) << endl;
5509 @}
5510 @end example
5511
5512
5513 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5514 @c    node-name, next, previous, up
5515 @section Symbolic differentiation
5516 @cindex differentiation
5517 @cindex @code{diff()}
5518 @cindex chain rule
5519 @cindex product rule
5520
5521 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5522 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5523 the derivatives of all the monomials:
5524
5525 @example
5526 @{
5527     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5528     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5529
5530     cout << P.diff(x,2) << endl;
5531      // -> 20*x^3 + 2
5532     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5533      // -> 1
5534     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5535      // -> 0
5536 @}
5537 @end example
5538
5539 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5540 returns the @var{n}th derivative.
5541
5542 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5543 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5544 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5545 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5546 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5547 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5548 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5549 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5550 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5551 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5552 lines:
5553
5554 @cindex Euler numbers
5555 @example
5556 #include <ginac/ginac.h>
5557 using namespace GiNaC;
5558
5559 ex EulerNumber(unsigned n)
5560 @{
5561     symbol x;
5562     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5563     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5564 @}
5565
5566 int main()
5567 @{
5568     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5569         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5570     return 0;
5571 @}
5572 @end example
5573
5574 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5575 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5576 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5577
5578
5579 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5580 @c    node-name, next, previous, up
5581 @section Series expansion
5582 @cindex @code{series()}
5583 @cindex Taylor expansion
5584 @cindex Laurent expansion
5585 @cindex @code{pseries} (class)
5586 @cindex @code{Order()}
5587
5588 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5589 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5590 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5591 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5592 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5593 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5594 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5595 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5596 term).  A sample application from special relativity could read:
5597
5598 @example
5599 #include <ginac/ginac.h>
5600 using namespace std;
5601 using namespace GiNaC;
5602
5603 int main()
5604 @{
5605     symbol v("v"), c("c");
5606     
5607     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5608     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5609     
5610     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5611          << mass_nonrel << endl;
5612     
5613     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5614          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5615 @}
5616 @end example
5617
5618 Only calling the series method makes the last output simplify to
5619 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5620 series raised to the power @math{-2}.
5621
5622 @cindex Machin's formula
5623 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5624 value of Archimedes' constant
5625 @tex
5626 $\pi$
5627 @end tex
5628 @ifnottex
5629 @math{Pi}
5630 @end ifnottex
5631 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5632 using John Machin's amazing formula
5633 @tex
5634 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5635 @end tex
5636 @ifnottex
5637 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5638 @end ifnottex
5639 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5640 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5641 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5642 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5643 order term with it and the question arises what the system is supposed
5644 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5645 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5646 term off:
5647
5648 @example
5649 #include <ginac/ginac.h>
5650 using namespace GiNaC;
5651
5652 ex machin_pi(int degr)
5653 @{
5654     symbol x;
5655     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5656     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5657                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5658     return pi_approx;
5659 @}
5660
5661 int main()
5662 @{
5663     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5664     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5665     ex pi_frac;
5666     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5667         pi_frac = machin_pi(i);
5668         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5669              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5670     @}
5671     return 0;
5672 @}
5673 @end example
5674
5675 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5676 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5677 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5678 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5679 program, it will type out:
5680
5681 @example
5682 2:      3804/1195
5683         3.1832635983263598326
5684 4:      5359397032/1706489875
5685         3.1405970293260603143
5686 6:      38279241713339684/12184551018734375
5687         3.141621029325034425
5688 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5689         3.141591772182177295
5690 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5691         3.1415926824043995174
5692 @end example
5693
5694
5695 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5696 @c    node-name, next, previous, up
5697 @section Symmetrization
5698 @cindex @code{symmetrize()}
5699 @cindex @code{antisymmetrize()}
5700 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5701
5702 The three methods
5703
5704 @example
5705 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5706 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5707 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5708 @end example
5709
5710 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5711 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5712 weighted by the number of permutations.
5713
5714 The three additional methods
5715
5716 @example
5717 ex ex::symmetrize();
5718 ex ex::antisymmetrize();
5719 ex ex::symmetrize_cyclic();
5720 @end example
5721
5722 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5723
5724 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5725 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5726
5727 @example
5728 @{
5729     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5730     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5731                                            
5732     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5733      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5734     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5735      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5736     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5737      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5738 @}
5739 @end example
5740
5741 @page
5742
5743 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5744 @c    node-name, next, previous, up
5745 @section Predefined mathematical functions
5746 @c
5747 @subsection Overview
5748
5749 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5750
5751 @cartouche
5752 @multitable @columnfractions .30 .70
5753 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5754 @item @code{abs(x)}
5755 @tab absolute value
5756 @cindex @code{abs()}
5757 @item @code{step(x)}
5758 @tab step function
5759 @cindex @code{step()}
5760 @item @code{csgn(x)}
5761 @tab complex sign
5762 @cindex @code{conjugate()}
5763 @item @code{conjugate(x)}
5764 @tab complex conjugation
5765 @cindex @code{real_part()}
5766 @item @code{real_part(x)}
5767 @tab real part
5768 @cindex @code{imag_part()}
5769 @item @code{imag_part(x)}
5770 @tab imaginary part
5771 @item @code{sqrt(x)}
5772 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5773 @cindex @code{sqrt()}
5774 @item @code{sin(x)}
5775 @tab sine
5776 @cindex @code{sin()}
5777 @item @code{cos(x)}
5778 @tab cosine
5779 @cindex @code{cos()}
5780 @item @code{tan(x)}
5781 @tab tangent
5782 @cindex @code{tan()}
5783 @item @code{asin(x)}
5784 @tab inverse sine
5785 @cindex @code{asin()}
5786 @item @code{acos(x)}
5787 @tab inverse cosine
5788 @cindex @code{acos()}
5789 @item @code{atan(x)}
5790 @tab inverse tangent
5791 @cindex @code{atan()}
5792 @item @code{atan2(y, x)}
5793 @tab inverse tangent with two arguments
5794 @item @code{sinh(x)}
5795 @tab hyperbolic sine
5796 @cindex @code{sinh()}
5797 @item @code{cosh(x)}
5798 @tab hyperbolic cosine
5799 @cindex @code{cosh()}
5800 @item @code{tanh(x)}
5801 @tab hyperbolic tangent
5802 @cindex @code{tanh()}
5803 @item @code{asinh(x)}
5804 @tab inverse hyperbolic sine
5805 @cindex @code{asinh()}
5806 @item @code{acosh(x)}
5807 @tab inverse hyperbolic cosine
5808 @cindex @code{acosh()}
5809 @item @code{atanh(x)}
5810 @tab inverse hyperbolic tangent
5811 @cindex @code{atanh()}
5812 @item @code{exp(x)}
5813 @tab exponential function
5814 @cindex @code{exp()}
5815 @item @code{log(x)}
5816 @tab natural logarithm
5817 @cindex @code{log()}
5818 @item @code{Li2(x)}
5819 @tab dilogarithm
5820 @cindex @code{Li2()}
5821 @item @code{Li(m, x)}
5822 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5823 @cindex @code{Li()}
5824 @item @code{G(a, y)}
5825 @tab multiple polylogarithm
5826 @cindex @code{G()}
5827 @item @code{G(a, s, y)}
5828 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5829 @cindex @code{G()}
5830 @item @code{S(n, p, x)}
5831 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5832 @cindex @code{S()}
5833 @item @code{H(m, x)}
5834 @tab harmonic polylogarithm
5835 @cindex @code{H()}
5836 @item @code{zeta(m)}
5837 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5838 @cindex @code{zeta()}
5839 @item @code{zeta(m, s)}
5840 @tab alternating Euler sum
5841 @cindex @code{zeta()}
5842 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5843 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5844 @item @code{tgamma(x)}
5845 @tab gamma function
5846 @cindex @code{tgamma()}
5847 @cindex gamma function
5848 @item @code{lgamma(x)}
5849 @tab logarithm of gamma function
5850 @cindex @code{lgamma()}
5851 @item @code{beta(x, y)}
5852 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5853 @cindex @code{beta()}
5854 @item @code{psi(x)}
5855 @tab psi (digamma) function
5856 @cindex @code{psi()}
5857 @item @code{psi(n, x)}
5858 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5859 @item @code{factorial(n)}
5860 @tab factorial function @math{n!}
5861 @cindex @code{factorial()}
5862 @item @code{binomial(n, k)}
5863 @tab binomial coefficients
5864 @cindex @code{binomial()}
5865 @item @code{Order(x)}
5866 @tab order term function in truncated power series
5867 @cindex @code{Order()}
5868 @end multitable
5869 @end cartouche
5870
5871 @cindex branch cut
5872 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5873 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5874 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5875 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5876 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5877 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5878 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5879 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5880 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5881 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5882 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5883 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5884 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5885 compatible with C99.
5886
5887 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5888 @c    node-name, next, previous, up
5889 @subsection Multiple polylogarithms
5890
5891 @cindex polylogarithm
5892 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5893 @cindex harmonic polylogarithm
5894 @cindex multiple zeta value
5895 @cindex alternating Euler sum
5896 @cindex multiple polylogarithm
5897
5898 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5899 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5900 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5901 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5902 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5903 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5904 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5905 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5906 notations are more natural to the series representation or the integral
5907 representation, respectively.
5908
5909 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5910 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5911 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5912
5913 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5914 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5915 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5916 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5917 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5918 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5919 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5920 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5921 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5922 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5923 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5924
5925 The functions print in LaTeX format as
5926 @tex
5927 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5928 @end tex
5929 @tex
5930 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5931 @end tex
5932 @tex
5933 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5934 @end tex
5935 @tex
5936 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5937 @end tex
5938 @ifnottex
5939 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
5940 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
5941 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
5942 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
5943 @end ifnottex
5944 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5945 are printed with a line above, e.g.
5946 @tex
5947 $\zeta(5,\overline{2})$.
5948 @end tex
5949 @ifnottex
5950 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
5951 @end ifnottex
5952 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5953
5954 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5955 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5956 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5957 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5958
5959 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5960 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5961 the series representation. This means
5962 @tex
5963 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5964 @end tex
5965 @tex
5966 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5967 @end tex
5968 @tex
5969 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5970 @end tex
5971 @ifnottex
5972 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
5973 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
5974 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
5975 @end ifnottex
5976 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
5977 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
5978
5979 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5980 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5981 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5982 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5983 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5984 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5985 @tex
5986 $\zeta(\overline{3},4)$
5987 @end tex
5988 @ifnottex
5989 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
5990 @end ifnottex
5991 and
5992 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5993 @tex
5994 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5995 @end tex
5996 @ifnottex
5997 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
5998 @end ifnottex
5999 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6000 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6001 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
6002 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6003 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6004 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6005 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6006
6007 @example
6008 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6009 S(2,2,x)
6010 > H(@{-3,2@},1);
6011 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6012 > S(3,1,1);
6013 1/90*Pi^4
6014 @end example
6015
6016 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6017 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6018 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6019 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6020 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6021 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6022
6023 @example
6024 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6025 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6026 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6027 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6028 @end example
6029
6030 Every function can be numerically evaluated for
6031 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6032 global variable @code{Digits}:
6033
6034 @example
6035 > Digits=100;
6036 100
6037 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6038 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6039 @end example
6040
6041 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6042 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6043
6044 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6045 unevaluated, e.g.
6046 @tex
6047 $\zeta(1)$.
6048 @end tex
6049 @ifnottex
6050 @command{zeta(1)}.
6051 @end ifnottex
6052 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6053 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6054 cancellations of divergencies happen.
6055
6056 Useful publications:
6057
6058 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6059 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6060
6061 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6062 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6063
6064 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6065 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6066
6067 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6068 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6069
6070 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6071 @c    node-name, next, previous, up
6072 @section Complex expressions
6073 @c
6074 @cindex @code{conjugate()}
6075
6076 For dealing with complex expressions there are the methods
6077
6078 @example
6079 ex ex::conjugate();
6080 ex ex::real_part();
6081 ex ex::imag_part();
6082 @end example
6083
6084 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6085 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6086 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6087 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6088 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6089 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6090 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6091 (symbols are complex by default), one could not simplify
6092 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6093 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6094
6095 For example,
6096 @example
6097 @{
6098     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6099     symbol x("x");
6100     realsymbol y("y");
6101                                            
6102     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6103      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6104     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6105      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6106 @}
6107 @end example
6108
6109 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6110 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6111 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6112 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6113 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6114 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6115
6116 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6117 @c    node-name, next, previous, up
6118 @section Solving linear systems of equations
6119 @cindex @code{lsolve()}
6120
6121 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6122 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6123 needs to be solved:
6124
6125 @example
6126 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6127           unsigned options = solve_algo::automatic);
6128 @end example
6129
6130 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6131 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6132 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6133 @code{lst}).
6134
6135 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6136 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6137
6138 @example
6139 @{
6140     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6141     lst eqns, vars;
6142     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6143     vars = x, y;
6144     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6145      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6146 @end example
6147
6148 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6149 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6150 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6151 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6152 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6153 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6154 around that method.
6155
6156
6157 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6158 @c    node-name, next, previous, up
6159 @section Input and output of expressions
6160 @cindex I/O
6161
6162 @subsection Expression output
6163 @cindex printing
6164 @cindex output of expressions
6165
6166 Expressions can simply be written to any stream:
6167
6168 @example
6169 @{
6170     symbol x("x");
6171     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6172     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6173     // ...
6174 @end example
6175
6176 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6177 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6178 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6179 is printed as @samp{x^2}).
6180
6181 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6182 a set of stream manipulators;
6183
6184 @example
6185 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6186 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6187 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6188 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6189 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6190 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6191 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6192 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6193 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6194 @end example
6195
6196 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6197 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6198 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6199
6200 @cindex @code{dflt}
6201 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6202 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6203
6204 @example
6205     // ...
6206     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6207                               // now on
6208     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6209     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6210     cout << dflt;             // revert to default output format
6211     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6212     // ...
6213 @end example
6214
6215 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6216 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6217
6218 @example
6219     // ...
6220     ostringstream s;
6221     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6222     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6223     // ...
6224 @end example
6225
6226 @anchor{csrc printing}
6227 @cindex @code{csrc}
6228 @cindex @code{csrc_float}
6229 @cindex @code{csrc_double}
6230 @cindex @code{csrc_cl_N}
6231 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6232 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6233 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6234 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6235 classes provided by the CLN library):
6236
6237 @example
6238     // ...
6239     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6240     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6241     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6242     // ...
6243 @end example
6244
6245 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6246 @code{x*x}):
6247
6248 @example
6249 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6250 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6251 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6252 @end example
6253
6254 @cindex @code{tree}
6255 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6256 expression for debugging purposes:
6257
6258 @example
6259     // ...
6260     cout << tree << e;
6261 @}
6262 @end example
6263
6264 produces
6265
6266 @example
6267 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6268     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6269         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6270         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6271     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6272     -----
6273     overall_coeff
6274     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6275     =====
6276 @end example
6277
6278 @cindex @code{latex}
6279 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6280 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6281 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6282 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6283 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6284 constructor.
6285
6286 For example, the code snippet
6287
6288 @example
6289 @{
6290     symbol x("x", "\\circ");
6291     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6292     cout << latex << e << endl;
6293 @}
6294 @end example
6295
6296 will print
6297
6298 @example
6299     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6300     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6301 @end example
6302
6303 @cindex @code{index_dimensions}
6304 @cindex @code{no_index_dimensions}
6305 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6306 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6307 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6308 formats:
6309
6310 @example
6311 @{
6312     symbol x("x"), y("y");
6313     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6314     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6315
6316     cout << e << endl;
6317      // prints 'x~mu*y~nu'
6318     cout << index_dimensions << e << endl;
6319      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6320     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6321      // prints 'x~mu*y~nu'
6322 @}
6323 @end example
6324
6325
6326 @cindex Tree traversal
6327 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6328 with other algebra systems or for producing code for different
6329 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6330
6331 @example
6332 static void my_print(const ex & e)
6333 @{
6334     if (is_a<function>(e))
6335         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6336     else
6337         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6338     cout << "(";
6339     size_t n = e.nops();
6340     if (n)
6341         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6342             my_print(e.op(i));
6343             if (i != n-1)
6344                 cout << ",";
6345         @}
6346     else
6347         cout << e;
6348     cout << ")";
6349 @}
6350
6351 int main()
6352 @{
6353     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6354     return 0;
6355 @}
6356 @end example
6357
6358 This will produce
6359
6360 @example
6361 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6362 symbol(y))),numeric(-2)))
6363 @end example
6364
6365 If you need an output format that makes it possible to accurately
6366 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6367 object factory, you should consider storing the expression in an
6368 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6369 See the section on archiving for more information.
6370
6371
6372 @subsection Expression input
6373 @cindex input of expressions
6374
6375 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6376 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6377 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6378 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6379 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6380
6381 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6382 list of symbols to be used:
6383
6384 @example
6385 @{
6386     symbol x("x"), y("y");
6387     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6388 @}
6389 @end example
6390
6391 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6392 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6393 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6394 the list it will throw an exception.
6395
6396 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6397
6398 @example
6399 #include <iostream>
6400 #include <string>
6401 #include <stdexcept>
6402 #include <ginac/ginac.h>
6403 using namespace std;
6404 using namespace GiNaC;
6405
6406 int main()
6407 @{
6408     symbol x("x");
6409     string s;
6410
6411     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6412     getline(cin, s);
6413
6414     try @{
6415         ex e(s, lst(x));
6416         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6417         cout << e.diff(x) << ".\n";
6418     @} catch (exception &p) @{
6419         cerr << p.what() << endl;
6420     @}
6421 @}
6422 @end example
6423
6424 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6425 @cindex compiling expressions
6426
6427 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6428 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6429 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6430 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6431 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6432 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6433 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6434 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6435 the numerical evaluation into different execution stages.
6436
6437 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6438 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6439 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6440 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6441 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6442 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6443
6444 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6445
6446 @example
6447     // ...
6448     symbol x("x");
6449     ex myexpr = sin(x) / x;
6450
6451     FUNCP_1P fp;
6452     compile_ex(myexpr, x, fp);
6453
6454     cout << fp(3.2) << endl;
6455     // ...
6456 @end example
6457
6458 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6459 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6460 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6461 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6462
6463 @cindex FUNCP_1P
6464 @cindex FUNCP_2P
6465 @cindex FUNCP_CUBA
6466 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6467 pointer types at the moment:
6468
6469 @example
6470     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6471     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6472     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6473 @end example
6474
6475 @cindex CUBA library
6476 @cindex Monte Carlo integration
6477 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6478 the correct type to be used with the CUBA library
6479 (@uref{http://www.feynarts/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6480 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6481
6482 @cindex compile_ex
6483 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6484
6485 @example
6486     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6487                     const std::string filename = "");
6488     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6489                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6490     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6491                     const std::string filename = "");
6492 @end example
6493
6494 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6495 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6496 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6497 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6498 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6499 deleted.
6500
6501 @cindex link_ex
6502 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6503 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6504 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6505 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6506 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6507 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6508 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6509
6510 @example
6511     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6512     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6513     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6514 @end example
6515
6516 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6517 to be supplied.
6518
6519 The function
6520
6521 @cindex unlink_ex
6522 @example
6523     void unlink_ex(const std::string filename);
6524 @end example
6525
6526 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6527 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6528 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6529 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6530
6531 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6532 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6533 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6534 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6535 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6536 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6537 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6538 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6539
6540 @cindex ginac-excompiler
6541 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6542 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6543 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6544 directory.
6545
6546 @subsection Archiving
6547 @cindex @code{archive} (class)
6548 @cindex archiving
6549
6550 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6551 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6552 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6553 expression a unique name:
6554
6555 @example
6556 #include <fstream>
6557 using namespace std;
6558 #include <ginac/ginac.h>
6559 using namespace GiNaC;
6560
6561 int main()
6562 @{
6563     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6564
6565     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6566     ex bar = foo + 1;
6567
6568     archive a;
6569     a.archive_ex(foo, "foo");
6570     a.archive_ex(bar, "the second one");
6571     // ...
6572 @end example
6573
6574 The archive can then be written to a file:
6575
6576 @example
6577     // ...
6578     ofstream out("foobar.gar");
6579     out << a;
6580     out.close();
6581     // ...
6582 @end example
6583
6584 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6585 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6586
6587 @cindex @command{viewgar}
6588 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6589 the contents of GiNaC archive files:
6590
6591 @example
6592 $ viewgar foobar.gar
6593 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6594 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6595 @end example
6596
6597 The point of writing archive files is of course that they can later be
6598 read in again:
6599
6600 @example
6601     // ...
6602     archive a2;
6603     ifstream in("foobar.gar");
6604     in >> a2;
6605     // ...
6606 @end example
6607
6608 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6609
6610 @example
6611     // ...
6612     lst syms;
6613     syms = x, y;
6614
6615     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6616     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6617
6618     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6619     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6620     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6621 @}
6622 @end example
6623
6624 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6625 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6626 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6627 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6628 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6629 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6630 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6631 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6632
6633 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6634 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6635 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6636 functions that let you access the stored properties:
6637
6638 @example
6639 static void my_print2(const archive_node & n)
6640 @{
6641     string class_name;
6642     n.find_string("class", class_name);
6643     cout << class_name << "(";
6644
6645     archive_node::propinfovector p;
6646     n.get_properties(p);
6647
6648     size_t num = p.size();
6649     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6650         const string &name = p[i].name;
6651         if (name == "class")
6652             continue;
6653         cout << name << "=";
6654
6655         unsigned count = p[i].count;
6656         if (count > 1)
6657             cout << "@{";
6658
6659         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6660             switch (p[i].type) @{
6661                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6662                     bool x;
6663                     n.find_bool(name, x, j);
6664                     cout << (x ? "true" : "false");
6665                     break;
6666                 @}
6667                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6668                     unsigned x;
6669                     n.find_unsigned(name, x, j);
6670                     cout << x;
6671                     break;
6672                 @}
6673                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6674                     string x;
6675                     n.find_string(name, x, j);
6676                     cout << '\"' << x << '\"';
6677                     break;
6678                 @}
6679                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6680                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6681                     my_print2(x);
6682                     break;
6683                 @}
6684             @}
6685
6686             if (j != count-1)
6687                 cout << ",";
6688         @}
6689
6690         if (count > 1)
6691             cout << "@}";
6692
6693         if (i != num-1)
6694             cout << ",";
6695     @}
6696
6697     cout << ")";
6698 @}
6699
6700 int main()
6701 @{
6702     ex e = pow(2, x) - y;
6703     archive ar(e, "e");
6704     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6705     return 0;
6706 @}
6707 @end example
6708
6709 This will produce:
6710
6711 @example
6712 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6713 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6714 overall_coeff=numeric(number="0"))
6715 @end example
6716
6717 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6718 class may change between GiNaC versions.
6719
6720
6721 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6722 @c    node-name, next, previous, up
6723 @chapter Extending GiNaC
6724
6725 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6726 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6727 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6728 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6729 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6730 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6731
6732 @menu
6733 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6734 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6735 * Printing::                         Adding new output formats.
6736 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6737 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6738 @end menu
6739
6740
6741 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6742 @c    node-name, next, previous, up
6743 @section What doesn't belong into GiNaC
6744
6745 @cindex @command{ginsh}
6746 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6747 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6748 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6749 language.  There are no loops or conditional expressions in
6750 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6751 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6752 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6753 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6754 the future.
6755
6756 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6757 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6758 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6759 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6760 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6761 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6762 provided by CLN are much better suited.
6763
6764
6765 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6766 @c    node-name, next, previous, up
6767 @section Symbolic functions
6768
6769 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6770 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6771 two preprocessor macros:
6772
6773 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6774 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6775 @example
6776 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6777 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6778 @end example
6779
6780 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6781 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6782 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6783 @code{function} object that represents your function.
6784
6785 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6786 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6787 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6788 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6789 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6790 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6791 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6792 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6793
6794 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6795 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6796 done our best to avoid macros where we can.)
6797
6798 @subsection A minimal example
6799
6800 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6801 that is not further evaluated:
6802
6803 @example
6804 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6805
6806 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6807 @end example
6808
6809 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6810 in algebraic expressions:
6811
6812 @example
6813 @{
6814     ...
6815     symbol x("x");
6816     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6817     cout << e << endl;
6818      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6819     ...
6820 @}
6821 @end example
6822
6823 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6824 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6825 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6826 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6827
6828 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6829 example of how to make an "intelligent" function.
6830
6831 @subsection The cosine function
6832
6833 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6834
6835 @example
6836 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6837 @end example
6838
6839 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6840 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6841 this function in expressions.
6842
6843 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6844 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6845
6846 @example
6847 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6848                        evalf_func(cos_evalf).
6849                        derivative_func(cos_deriv).
6850                        latex_name("\\cos"));
6851 @end example
6852
6853 There are four options defined for the cosine function. One of them
6854 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6855 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6856 function are defined.
6857
6858 @cindex @code{hold()}
6859 @cindex evaluation
6860 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6861 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6862 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6863 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6864 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6865 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6866 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6867 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6868 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6869 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6870 somewhere.
6871
6872 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6873 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6874 what is going on):
6875
6876 @example
6877 static ex cos_eval(const ex & x)
6878 @{
6879     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6880         return 1;
6881     else if ("x is a multiple of Pi")
6882         return -1;
6883     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6884         return 0;
6885     // more rules...
6886
6887     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6888         return y;
6889     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6890         return sqrt(1-y^2);
6891     // more rules...
6892
6893     else
6894         return cos(x).hold();
6895 @}
6896 @end example
6897
6898 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6899
6900 @example
6901 @{
6902     ...
6903     e = cos(Pi);
6904      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6905      // the actual expression
6906     cout << e << endl;
6907      // prints '-1'
6908     ...
6909 @}
6910 @end example
6911
6912 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6913 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6914 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6915 with @code{.hold()}.
6916
6917 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6918 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6919 different function:
6920
6921 @example
6922 static ex cos_evalf(const ex & x)
6923 @{
6924     if (is_a<numeric>(x))
6925         return cos(ex_to<numeric>(x));
6926     else
6927         return cos(x).hold();
6928 @}
6929 @end example
6930
6931 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6932 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6933 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6934 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6935 function would require it in this place.
6936
6937 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6938 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6939 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6940 @code{ex::diff}):
6941
6942 @example
6943 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6944 @{
6945     return -sin(x);
6946 @}
6947 @end example
6948
6949 @cindex product rule
6950 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6951 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6952 case the function has more than one parameter, and its main application
6953 is for correct handling of the chain rule.
6954
6955 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6956 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6957 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6958 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6959
6960 @example
6961 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6962                      int order, unsigned options)
6963 @{
6964     // Find the actual expansion point
6965     const ex x_pt = x.subs(rel);
6966
6967     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6968         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6969
6970     // On a pole, expand sin()/cos()
6971     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6972 @}
6973 @end example
6974
6975 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6976 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6977
6978 @subsection Function options
6979
6980 GiNaC functions understand several more options which are always
6981 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6982 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6983 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6984 functions without any special options.
6985
6986 @example
6987 eval_func(<C++ function>)
6988 evalf_func(<C++ function>)
6989 derivative_func(<C++ function>)
6990 series_func(<C++ function>)
6991 conjugate_func(<C++ function>)
6992 @end example
6993
6994 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6995 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6996 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6997 @code{diff()} and @code{series()}.
6998
6999 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7000 automatic evaluation is desired or possible.
7001
7002 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7003 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7004 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7005 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7006 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7007 suitable transformation.
7008
7009 @example
7010 latex_name(const string & n)
7011 @end example
7012
7013 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7014 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7015
7016 @example
7017 do_not_evalf_params()
7018 @end example
7019
7020 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7021 function before calling the @code{evalf_func()}.
7022
7023 @example
7024 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
7025 @end example
7026
7027 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7028 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7029 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
7030 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
7031 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7032 commutation properties of their first argument.
7033
7034 @example
7035 set_symmetry(const symmetry & s)
7036 @end example
7037
7038 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7039 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7040 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7041 symmetric functions into a canonical order.
7042
7043 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7044 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7045 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7046 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7047 with the
7048
7049 @example
7050 print_func<C>(<C++ function>)
7051 @end example
7052
7053 option which is explained in the next section.
7054
7055 @subsection Functions with a variable number of arguments
7056
7057 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7058 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7059 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7060 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7061 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7062
7063 It is also possible to define functions that accept a different number of
7064 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7065 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7066 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7067 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7068 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7069 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7070 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7071 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7072
7073
7074 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7075 @c    node-name, next, previous, up
7076 @section GiNaC's expression output system
7077
7078 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7079 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7080 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7081 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7082 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7083 functions.
7084
7085 @cindex @code{print_context} (class)
7086 @cindex @code{print_dflt} (class)
7087 @cindex @code{print_latex} (class)
7088 @cindex @code{print_tree} (class)
7089 @cindex @code{print_csrc} (class)
7090 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7091 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7092 header file:
7093
7094 @table @code
7095 @item print_dflt
7096 the default output format
7097 @item print_latex
7098 output in LaTeX mathematical mode
7099 @item print_tree
7100 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7101 @item print_csrc
7102 the base class for C source output
7103 @item print_csrc_float
7104 C source output using the @code{float} type
7105 @item print_csrc_double
7106 C source output using the @code{double} type
7107 @item print_csrc_cl_N
7108 C source output using CLN types
7109 @end table
7110
7111 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7112
7113 @example
7114 class print_context
7115 @{
7116     ...
7117 public:
7118     std::ostream & s;
7119     unsigned options;
7120 @};
7121 @end example
7122
7123 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7124 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7125 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7126 to print the index dimension which is normally hidden.
7127
7128 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7129 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7130 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7131 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7132
7133 @cindex @code{print()}
7134 @example
7135 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7136 @end example
7137
7138 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7139 top-level algebraic object contained in the expression.
7140
7141 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7142 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7143 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7144 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7145 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7146 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7147 (single) virtual function dispatch.
7148
7149 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7150 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7151 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7152 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7153 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7154 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7155 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7156 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7157 object's class name enclosed in square brackets).
7158
7159 You can think of the print methods of all the different classes and output
7160 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7161 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7162 classes.
7163
7164 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7165 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7166 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7167 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7168 methods at run-time).
7169
7170 @subsection Print methods for classes
7171
7172 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7173 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7174 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7175 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7176 can also be used to override existing methods dynamically.
7177
7178 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7179 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7180 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7181 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7182 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7183 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7184 the class is the one being implemented by
7185 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7186
7187 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7188 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7189 @code{unsigned}.
7190
7191 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7192 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7193 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7194 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7195 private and protected members of @code{T}.
7196
7197 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7198 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7199 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7200 purposes if you write your own output formats.
7201
7202 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7203 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7204 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7205 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7206
7207 @example
7208 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7209                              const print_latex & c,
7210                              unsigned level)
7211 @{
7212     // get the precedence of the 'power' class
7213     unsigned power_prec = p.precedence();
7214
7215     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7216     // we need parentheses around the power
7217     if (level >= power_prec)
7218         c.s << '(';
7219
7220     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7221     // separated by an uparrow
7222     c.s << '@{';
7223     p.op(0).print(c, power_prec);
7224     c.s << "@}\\uparrow@{";
7225     p.op(1).print(c, power_prec);
7226     c.s << '@}';
7227
7228     // don't forget the closing parenthesis
7229     if (level >= power_prec)
7230         c.s << ')';
7231 @}
7232                                                                                 
7233 int main()
7234 @{
7235     // a sample expression
7236     symbol x("x"), y("y");
7237     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7238
7239     // switch to LaTeX mode
7240     cout << latex;
7241
7242     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7243     cout << e << endl;
7244
7245     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7246     // our own one
7247     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7248
7249     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7250     //              \uparrow@{2@}@}"
7251     cout << e << endl;
7252 @}
7253 @end example
7254
7255 Some notes:
7256
7257 @itemize
7258
7259 @item
7260 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7261 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7262
7263 @item
7264 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7265 @code{power} objects for the purpose of printing.
7266
7267 @item
7268 The output of products including negative powers as fractions is also
7269 controlled by the @code{mul} class.
7270
7271 @item
7272 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7273 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7274
7275 @end itemize
7276
7277 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7278 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7279 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7280 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7281 sources, find the method that is installed at startup
7282 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7283 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7284
7285 @subsection Print methods for functions
7286
7287 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7288 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7289 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7290 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7291 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7292
7293 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7294
7295 @example
7296 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7297 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7298                                                                                 
7299 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7300 @{
7301     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7302 @}
7303                                                                                 
7304 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7305 @{
7306     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7307 @}
7308                                                                                 
7309 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7310                        evalf_func(abs_evalf).
7311                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7312                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7313                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7314 @end example
7315
7316 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7317 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7318
7319 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7320
7321 @subsection Adding new output formats
7322
7323 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7324 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7325 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7326 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7327 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7328 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7329 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7330 options value.
7331
7332 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7333
7334 @example
7335 class print_myformat : public print_dflt
7336 @{
7337     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7338 public:
7339     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7340      : print_dflt(os, opt) @{@}
7341 @};
7342
7343 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7344
7345 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7346 @end example
7347
7348 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7349 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7350 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7351 format are implemented as print methods, as described above.
7352
7353 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7354 exactly like GiNaC's default output format:
7355
7356 @example
7357 @{
7358     symbol x("x");
7359     ex e = pow(x, 2) + 1;
7360
7361     // this prints "1+x^2"
7362     cout << e << endl;
7363     
7364     // this also prints "1+x^2"
7365     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7366
7367     ...
7368 @}
7369 @end example
7370
7371 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7372 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7373
7374 @example
7375 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7376 // example above for explanations.
7377 void print_power_as_myformat(const power & p,
7378                              const print_myformat & c,
7379                              unsigned level)
7380 @{
7381     unsigned power_prec = p.precedence();
7382     if (level >= power_prec)
7383         c.s << '(';
7384     p.op(0).print(c, power_prec);
7385     c.s << "**";
7386     p.op(1).print(c, power_prec);
7387     if (level >= power_prec)
7388         c.s << ')';
7389 @}
7390
7391 @{
7392     ...
7393     // install a new print method for power objects
7394     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7395
7396     // now this prints "1+x**2"
7397     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7398
7399     // but the default format is still "1+x^2"
7400     cout << e << endl;
7401 @}
7402 @end example
7403
7404
7405 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7406 @c    node-name, next, previous, up
7407 @section Structures
7408
7409 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7410 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7411 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7412 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7413 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7414
7415 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7416 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7417 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7418 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7419 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7420 read both sections because many common concepts and member functions are
7421 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7422 is most suited to your needs.
7423
7424 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7425 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7426 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7427
7428 @subsection Example: scalar products
7429
7430 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7431 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7432 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7433 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7434 product in a C++ @code{struct}:
7435
7436 @example
7437 #include <iostream>
7438 using namespace std;
7439
7440 #include <ginac/ginac.h>
7441 using namespace GiNaC;
7442
7443 struct sprod_s @{
7444     ex left, right;
7445
7446     sprod_s() @{@}
7447     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7448 @};
7449 @end example
7450
7451 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7452 data structure, we need only one line:
7453
7454 @example
7455 typedef structure<sprod_s> sprod;
7456 @end example
7457
7458 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7459 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7460 expressions like any other GiNaC class:
7461
7462 @example
7463 ...
7464     symbol a("a"), b("b");
7465     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7466 ...
7467 @end example
7468
7469 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7470 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7471 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7472 constructed from an @code{sprod_s} object.
7473
7474 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7475 you could define a little wrapper function like this:
7476
7477 @example
7478 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7479 @{
7480     return sprod(sprod_s(left, right));
7481 @}
7482 @end example
7483
7484 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7485 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7486 @code{get_struct()}:
7487
7488 @example
7489 ...
7490     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7491      // -> a
7492     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7493      // -> b
7494 ...
7495 @end example
7496
7497 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7498
7499 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7500 that deal with scalar products, for example:
7501
7502 @example
7503 ex swap_sprod(ex p)
7504 @{
7505     if (is_a<sprod>(p)) @{
7506         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7507         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7508     @} else
7509         return p;
7510 @}
7511
7512 ...
7513     f = swap_sprod(e);
7514      // f is now <b|a>
7515 ...
7516 @end example
7517
7518 @subsection Structure output
7519
7520 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7521 desired, most notably proper output:
7522
7523 @example
7524 ...
7525     cout << e << endl;
7526      // -> [structure object]
7527 ...
7528 @end example
7529
7530 By default, any structure types you define will be printed as
7531 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7532 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7533 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7534 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7535 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7536 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7537
7538 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7539 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7540
7541 @example
7542 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7543 @{
7544     // tree debug output handled by superclass
7545     if (is_a<print_tree>(c))
7546         inherited::print(c, level);
7547
7548     // get the contained sprod_s object
7549     const sprod_s & sp = get_struct();
7550
7551     // print_context::s is a reference to an ostream
7552     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7553 @}
7554 @end example
7555
7556 Now we can print expressions containing scalar products:
7557
7558 @example
7559 ...
7560     cout << e << endl;
7561      // -> <a|b>
7562     cout << swap_sprod(e) << endl;
7563      // -> <b|a>
7564 ...
7565 @end example
7566
7567 @subsection Comparing structures
7568
7569 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7570 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7571 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7572 and undesired behavior:
7573
7574 @example
7575 ...
7576     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7577      // -> 0
7578     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7579      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7580 ...
7581 @end example
7582
7583 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7584 for objects of type @code{sprod_s}:
7585
7586 @example
7587 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7588 @{
7589     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7590 @}
7591
7592 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7593 @{
7594     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7595            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7596 @}
7597 @end example
7598
7599 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7600 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7601 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7602 in the implementation of these operators because they would construct
7603 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7604 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7605 decide which one is algebraically 'less').
7606
7607 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7608 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7609
7610 @example
7611 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7612 @end example
7613
7614 @code{sprod} objects then behave as expected:
7615
7616 @example
7617 ...
7618     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7619      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7620     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7621      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7622     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7623      // -> 0
7624     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7625      // -> 2*<a|b>
7626 ...
7627 @end example
7628
7629 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7630 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7631 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7632 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7633 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7634 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7635
7636 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7637 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7638 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7639 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7640 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7641 undefined value) that the @code{T} class might have.
7642
7643 @subsection Subexpressions
7644
7645 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7646 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7647 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7648
7649 @example
7650 size_t sprod::nops() const
7651 @{
7652     return 2;
7653 @}
7654
7655 ex sprod::op(size_t i) const
7656 @{
7657     switch (i) @{
7658     case 0:
7659         return get_struct().left;
7660     case 1:
7661         return get_struct().right;
7662     default:
7663         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7664     @}
7665 @}
7666 @end example
7667
7668 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7669 @code{sprod} has two other nice side effects:
7670
7671 @itemize @bullet
7672 @item
7673 @code{has()} works as expected
7674 @item
7675 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7676 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7677 @end itemize
7678
7679 @cindex @code{let_op()}
7680 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7681 allows replacing subexpressions:
7682
7683 @example
7684 ex & sprod::let_op(size_t i)
7685 @{
7686     // every non-const member function must call this
7687     ensure_if_modifiable();
7688
7689     switch (i) @{
7690     case 0:
7691         return get_struct().left;
7692     case 1:
7693         return get_struct().right;
7694     default:
7695         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7696     @}
7697 @}
7698 @end example
7699
7700 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7701 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7702 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7703 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7704
7705 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7706 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7707 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7708 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7709 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7710 This is left as an exercise for the reader.
7711
7712 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7713 you can override by specialization to customize the behavior of your
7714 structures. You are referred to the next section for a description of
7715 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7716 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7717 @code{structure<T>} template: archiving.
7718
7719 @subsection Archiving structures
7720
7721 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7722 should first read the next section and then come back here. You're back?
7723 Good.
7724
7725 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7726 specializations for the @code{archive()} member function and the
7727 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7728 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7729 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7730 the class of an object is stored as a string, the class name.
7731
7732 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7733 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7734 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7735 need to provide a different name for each by specializing the
7736 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7737 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7738
7739 @example
7740 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7741
7742 void sprod::archive(archive_node & n) const
7743 @{
7744     inherited::archive(n);
7745     n.add_ex("left", get_struct().left);
7746     n.add_ex("right", get_struct().right);
7747 @}
7748
7749 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7750 @{
7751     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7752     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7753 @}
7754 @end example
7755
7756 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7757 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7758 @code{sprod::unarchive()} function.
7759
7760
7761 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7762 @c    node-name, next, previous, up
7763 @section Adding classes
7764
7765 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7766 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7767 severe of which being that you can't add any new member functions to
7768 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7769 from scratch.
7770
7771 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7772 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7773 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7774 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7775 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7776 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7777 representing tensor products is more involved but this section should give
7778 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7779 classes if you want to implement something more complicated.
7780
7781 @subsection GiNaC's run-time type information system
7782
7783 @cindex hierarchy of classes
7784 @cindex RTTI
7785 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7786 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7787 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7788 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7789 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7790 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7791 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7792 system that provides this kind of information is called a run-time type
7793 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7794 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7795 implements its own, simpler RTTI.
7796
7797 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7798
7799 @itemize @bullet
7800
7801 @item
7802 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7803 holds a variable of @code{tinfo_t} type (which is actually just
7804 @code{const void*}) that identifies the object's class.
7805
7806 @item
7807 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7808 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7809 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7810 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7811 @file{registrar.h} header file.
7812
7813 @end itemize
7814
7815 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7816 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7817 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7818 macros.
7819
7820 @subsection A minimalistic example
7821
7822 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7823 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7824 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7825 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7826 for your own classes.
7827
7828 The code snippets given here assume that you have included some header files
7829 as follows:
7830
7831 @example
7832 #include <iostream>
7833 #include <string>   
7834 #include <stdexcept>
7835 using namespace std;
7836
7837 #include <ginac/ginac.h>
7838 using namespace GiNaC;
7839 @end example
7840
7841 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7842 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7843 object from a C or C++ string:
7844
7845 @example
7846 class mystring : public basic
7847 @{
7848     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7849   
7850 public:
7851     mystring(const string & s);
7852     mystring(const char * s);
7853
7854 private:
7855     string str;
7856 @};
7857
7858 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7859 @end example
7860
7861 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7862 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7863 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7864 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7865 the first line after the opening brace of the class definition. The
7866 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7867 source (at global scope, of course, not inside a function).
7868
7869 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7870 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7871 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7872 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7873 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7874 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7875 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7876 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7877
7878 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7879 class:
7880
7881 @itemize
7882
7883 @item
7884 @code{mystring()}, the default constructor.
7885
7886 @item
7887 @code{void archive(archive_node & n)}, the archiving function. This stores all
7888 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7889 @code{archive_node}.
7890
7891 @item
7892 @code{mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the unarchiving
7893 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7894 found in an @code{archive_node}.
7895
7896 @item
7897 @code{ex unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the static
7898 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7899 constructor.
7900
7901 @item
7902 @cindex @code{compare_same_type()}
7903 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
7904 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7905 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7906 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7907 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7908 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7909 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7910 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7911 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7912 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7913 defined.
7914
7915 @item
7916 And, of course, @code{mystring(const string & s)} and @code{mystring(const char * s)}
7917 which are the two constructors we declared.
7918
7919 @end itemize
7920
7921 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7922
7923 @example
7924 mystring::mystring() : inherited(&mystring::tinfo_static) @{@}
7925 @end example
7926
7927 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7928 @code{tinfo_key} member to the @code{&your_class_name::tinfo_static}
7929 @footnote{Each GiNaC class has a static member called tinfo_static.
7930 This member is declared by the GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS macros
7931 and defined by the GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS macros.}. Otherwise
7932 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7933 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7934 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7935 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7936 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7937 to the right value manually.
7938
7939 In the default constructor you should set all other member variables to
7940 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7941 member gets set to an empty string automatically).
7942
7943 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7944 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7945 is really simple.  First, the archiving function:
7946
7947 @example
7948 void mystring::archive(archive_node & n) const
7949 @{
7950     inherited::archive(n);
7951     n.add_string("string", str);
7952 @}
7953 @end example
7954
7955 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7956 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7957 deem necessary for representing the object into the passed
7958 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7959 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7960 file.
7961
7962 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7963 function:
7964
7965 @example
7966 mystring::mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7967 @{
7968     n.find_string("string", str);
7969 @}
7970 @end example
7971
7972 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7973 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7974 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7975 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7976
7977 Finally, the unarchiving function:
7978
7979 @example
7980 ex mystring::unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)
7981 @{
7982     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7983 @}
7984 @end example
7985
7986 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7987 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7988 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7989 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7990 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7991 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7992 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7993 automatically once it is no longer referenced.
7994
7995 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7996 the string members:
7997
7998 @example
7999 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8000 @{
8001     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8002     int cmpval = str.compare(o.str);
8003     if (cmpval == 0)
8004         return 0;
8005     else if (cmpval < 0)
8006         return -1;
8007     else
8008         return 1;
8009 @}
8010 @end example
8011
8012 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8013 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8014 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8015 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8016 all relevant member variables.
8017
8018 Now the only thing missing is our two new constructors:
8019
8020 @example
8021 mystring::mystring(const string & s)
8022     : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
8023 mystring::mystring(const char * s)
8024     : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
8025 @end example
8026
8027 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
8028 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
8029
8030 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8031 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8032
8033 @example
8034 ex e = mystring("Hello, world!");
8035 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8036  // -> 1 (true)
8037
8038 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8039  // -> mystring
8040 @end example
8041
8042 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8043
8044 @example
8045 cout << e << endl;
8046  // -> [mystring object]
8047 @end example
8048
8049 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8050 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8051 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8052 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8053 surrounded by double quotes:
8054
8055 @example
8056 class mystring : public basic
8057 @{
8058     ...
8059 protected:
8060     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8061     ...
8062 @};
8063
8064 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8065 @{
8066     // print_context::s is a reference to an ostream
8067     c.s << '\"' << str << '\"';
8068 @}
8069 @end example
8070
8071 The @code{level} argument is only required for container classes to
8072 correctly parenthesize the output.
8073
8074 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8075 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8076 replace the line
8077
8078 @example
8079 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8080 @end example
8081
8082 with
8083
8084 @example
8085 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8086   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8087 @end example
8088
8089 Let's try again to print the expression:
8090
8091 @example
8092 cout << e << endl;
8093  // -> "Hello, world!"
8094 @end example
8095
8096 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8097 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8098 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8099 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8100 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8101 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8102 way expression output is implemented in GiNaC.
8103
8104 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8105
8106 @example
8107 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8108 cout << e << endl;
8109  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8110 @end example
8111
8112 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8113
8114 @example
8115 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8116 cout << e << endl;
8117  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8118 @end example
8119
8120 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8121 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8122 for your objects.
8123
8124 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8125
8126 @example
8127 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8128 cout << e << endl;
8129  // -> "Wow"^2
8130
8131 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8132 cout << e.expand() << endl;
8133  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8134 @end example
8135
8136 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8137 concatenation. You would have to implement this yourself.
8138
8139 @subsection Automatic evaluation
8140
8141 @cindex evaluation
8142 @cindex @code{eval()}
8143 @cindex @code{hold()}
8144 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8145 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8146 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8147 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8148 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8149 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8150
8151 @example
8152 class mystring : public basic
8153 @{
8154     ...
8155 public:
8156     ex eval(int level = 0) const;
8157     ...
8158 @};
8159
8160 ex mystring::eval(int level) const
8161 @{
8162     string new_str;
8163     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8164         char c = str[i];
8165         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8166             new_str += tolower(c);
8167         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8168             new_str += c;
8169     @}
8170
8171     if (new_str.length() == 0)
8172         return 0;
8173     else
8174         return mystring(new_str).hold();
8175 @}
8176 @end example
8177
8178 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8179 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8180 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8181 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8182 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8183 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8184 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8185 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8186
8187 Let's confirm that it works:
8188
8189 @example
8190 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8191 cout << e << endl;
8192  // -> "helloworld"
8193
8194 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8195 cout << e << endl;
8196  // -> 3*"wow"
8197 @end example
8198
8199 @subsection Optional member functions
8200
8201 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8202 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8203 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8204
8205 @cindex @code{calchash()}
8206 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8207 @example
8208 unsigned calchash() const;
8209 bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
8210 @end example
8211
8212 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8213 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8214 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8215 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8216 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8217 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8218
8219 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8220 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8221 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8222 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8223
8224 @subsection Other member functions
8225
8226 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8227 might want to provide:
8228
8229 @example
8230 bool info(unsigned inf) const;
8231 ex evalf(int level = 0) const;
8232 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8233 ex derivative(const symbol & s) const;
8234 @end example
8235
8236 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8237 previous section) you will probably want to override
8238
8239 @cindex @code{let_op()}
8240 @example
8241 size_t nops() cont;
8242 ex op(size_t i) const;
8243 ex & let_op(size_t i);
8244 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8245 ex map(map_function & f) const;
8246 @end example
8247
8248 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8249 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8250 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8251
8252 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8253 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8254 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8255 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8256 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8257 should become a need.
8258
8259 That's it. May the source be with you!
8260
8261 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8262
8263 If you got some extension classes for GiNaC 1.3.X some changes are
8264 necessary in order to make your code work with GiNaC 1.4.
8265
8266 @itemize @bullet
8267 @item constructors which set @code{tinfo_key} such as
8268
8269 @example
8270 myclass::myclass() : inherited(TINFO_myclass) @{@}
8271 @end example
8272
8273 need to be rewritten as
8274
8275 @example
8276 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8277 @end example
8278
8279 @item TINO_myclass is not necessary any more and can be removed.
8280
8281 @end itemize
8282
8283
8284 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8285 @c    node-name, next, previous, up
8286 @chapter A Comparison With Other CAS
8287 @cindex advocacy
8288
8289 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8290 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8291 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8292 disadvantages over these systems.
8293
8294 @menu
8295 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8296 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8297 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8298 @end menu
8299
8300 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8301 @c    node-name, next, previous, up
8302 @section Advantages
8303
8304 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8305 Algebra Systems, like 
8306
8307 @itemize @bullet
8308
8309 @item
8310 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8311 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8312 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8313 in common C++, which is standardized.
8314
8315 @cindex STL
8316 @item
8317 structured data types: you can build up structured data types using
8318 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8319 using unnamed lists of lists of lists.
8320
8321 @item
8322 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8323 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8324 nice for novice programmers, but dangerous.
8325     
8326 @item
8327 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8328 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8329 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8330
8331 @item
8332 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8333 separating interface and implementation.
8334
8335 @item
8336 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8337 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8338 C++-compilers for free, too.
8339     
8340 @item
8341 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8342 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8343 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8344 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8345 fix bugs in a traditional system.
8346
8347 @item
8348 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8349 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8350 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8351 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8352 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8353 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8354 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8355 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8356 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8357 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8358 FTP-site.
8359
8360 @item
8361 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8362 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8363 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8364 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8365 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8366 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8367 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8368 system (i.e. @emph{Yacas}).
8369
8370 @item
8371 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8372 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8373 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8374 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8375 speed with other CAS.
8376
8377 @end itemize
8378
8379
8380 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8381 @c    node-name, next, previous, up
8382 @section Disadvantages
8383
8384 Of course it also has some disadvantages:
8385
8386 @itemize @bullet
8387
8388 @item
8389 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8390 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8391 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8392 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8393 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8394 not planned for the near future).
8395
8396 @item
8397 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8398 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8399 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8400 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8401 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8402 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8403 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8404 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8405 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8406 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8407 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8408 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8409 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8410 yet ANSI compliant, support all needed features.
8411     
8412 @end itemize
8413
8414
8415 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8416 @c    node-name, next, previous, up
8417 @section Why C++?
8418
8419 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8420 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8421 possible), separation between interface and implementation is not
8422 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8423 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8424 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8425 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8426 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8427 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8428 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8429 any other programming language.
8430
8431
8432 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8433 @c    node-name, next, previous, up
8434 @appendix Internal structures
8435
8436 @menu
8437 * Expressions are reference counted::
8438 * Internal representation of products and sums::
8439 @end menu
8440
8441 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8442 @c    node-name, next, previous, up
8443 @appendixsection Expressions are reference counted
8444
8445 @cindex reference counting
8446 @cindex copy-on-write
8447 @cindex garbage collection
8448 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8449 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8450 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8451 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8452 skip the rest of this passage.
8453
8454 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8455 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8456 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8457 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8458 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8459 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8460 of code:
8461
8462 @example
8463 #include <iostream>
8464 #include <ginac/ginac.h>
8465 using namespace std;
8466 using namespace GiNaC;
8467
8468 int main()
8469 @{
8470     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8471     ex e1, e2;
8472
8473     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8474     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8475     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8476     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8477     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8478 @}
8479 @end example
8480
8481 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8482 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8483 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8484 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8485 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8486 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8487 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8488 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8489 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8490 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8491 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8492 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8493 can be:
8494
8495 @example
8496 @{
8497     symbol x("x"), y("y");
8498
8499     ex e1 = x + 3*y;
8500     ex e2 = pow(e1, 3);
8501     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8502     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8503          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8504          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8505 @}
8506 @end example
8507
8508 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8509 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8510 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8511 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8512 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8513 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8514 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8515 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8516 @code{3*e1^2}.
8517
8518 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8519 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8520 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8521 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8522 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8523 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8524 semantics, we recommend you have a look at the
8525 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8526 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8527 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8528
8529
8530 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8531 @c    node-name, next, previous, up
8532 @appendixsection Internal representation of products and sums
8533
8534 @cindex representation
8535 @cindex @code{add}
8536 @cindex @code{mul}
8537 @cindex @code{power}
8538 Although it should be completely transparent for the user of
8539 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8540 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8541 unexpanded symbolic expression 
8542 @tex
8543 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8544 @end tex
8545 @ifnottex
8546 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8547 @end ifnottex
8548 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8549 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8550 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8551 fashion:
8552
8553 @image{repnaive}
8554
8555 @cindex pair-wise representation
8556 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8557 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8558 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8559 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8560 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8561 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8562 becomes much more flat:
8563
8564 @image{reppair}
8565
8566 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8567 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8568 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8569 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8570 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8571 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8572 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8573 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8574 representation, however, since they are still carrying a trivial
8575 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8576 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8577 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8578 representation for
8579 @tex
8580 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8581 @end tex
8582 @ifnottex
8583 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8584 @end ifnottex
8585
8586 @image{repreal}
8587
8588 @cindex radical
8589 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8590 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8591 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8592 same abstract class: the data representation is the same, only the
8593 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8594 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8595 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8596
8597
8598 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8599 @c    node-name, next, previous, up
8600 @appendix Package tools
8601
8602 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8603 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8604 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8605 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8606 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8607 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8608 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8609 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8610 @example
8611 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8612 @end example
8613
8614 This command line might expand to (for example):
8615 @example
8616 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8617 @end example
8618
8619 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8620 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8621
8622 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8623 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8624 checking for libraries
8625
8626 @example
8627 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8628                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8629                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8630 @end example
8631
8632 This macro:
8633
8634 @itemize @bullet
8635
8636 @item
8637 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8638 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8639 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8640
8641 @item
8642 Tests the installed libraries to make sure that their version
8643 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8644
8645 @item
8646 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8647 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8648 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8649 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8650 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8651
8652 @item
8653 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8654
8655 @end itemize
8656
8657 @menu
8658 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8659 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8660 @end menu
8661
8662
8663 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8664 @c    node-name, next, previous, up
8665 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8666
8667 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8668 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8669 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8670 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8671 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8672
8673 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8674 system.
8675
8676 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8677 the linkers where to find the library one should
8678
8679 @itemize @bullet
8680 @item
8681 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8682 @example
8683 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8684 # ldconfig
8685 @end example
8686
8687 @item
8688 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8689 @example
8690 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8691 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8692 @end example
8693
8694 @item
8695 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8696 for instance:
8697
8698 @example
8699 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8700 @end example
8701 @end itemize
8702
8703 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8704 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8705 @example
8706 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8707 @end example
8708
8709 Finally, run the @command{configure} script
8710 @example
8711 $ ./configure 
8712 @end example
8713
8714 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8715
8716 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8717 @c    node-name, next, previous, up
8718 @subsection Example of a package using GiNaC
8719
8720 The following shows how to build a simple package using automake
8721 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8722
8723 @example
8724 #include <iostream>
8725 #include <ginac/ginac.h>
8726
8727 int main()
8728 @{
8729     GiNaC::symbol x("x");
8730     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8731     std::cout << "Derivative of " << a 
8732               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8733     return 0;
8734 @}
8735 @end example
8736
8737 You should first read the introductory portions of the automake
8738 Manual, if you are not already familiar with it.
8739
8740 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8741 configure script:
8742
8743 @example
8744 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8745 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8746 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8747 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8748
8749 AC_PROG_CXX
8750 AC_PROG_INSTALL
8751 AC_LANG([C++])
8752
8753 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8754
8755 AC_OUTPUT(Makefile)
8756 @end example
8757
8758 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8759 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8760 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8761 @example
8762 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8763
8764 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8765
8766 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8767 installed software in a non-standard prefix.
8768
8769 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8770 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8771 See the pkg-config man page for more details.
8772 @end example
8773
8774 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8775
8776 @example
8777 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8778 bin_PROGRAMS = simple
8779 simple_SOURCES = simple.cpp
8780 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8781 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8782 @end example
8783
8784 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8785 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8786 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8787 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8788 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8789 basis.
8790
8791 To try this example out, create a new directory and add the three
8792 files above to it.
8793
8794 Now execute the following command:
8795
8796 @example
8797 $ autoreconf -i
8798 @end example
8799
8800 You now have a package that can be built in the normal fashion
8801
8802 @example
8803 $ ./configure
8804 $ make
8805 $ make install
8806 @end example
8807
8808
8809 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8810 @c    node-name, next, previous, up
8811 @appendix Bibliography
8812
8813 @itemize @minus{}
8814
8815 @item
8816 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8817
8818 @item
8819 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8820
8821 @item
8822 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8823
8824 @item
8825 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8826
8827 @item
8828 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8829 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8830
8831 @item
8832 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8833 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8834 Academic Press, London
8835
8836 @item
8837 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8838 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8839
8840 @item
8841 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8842 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8843
8844 @item
8845 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8846 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8847
8848 @item
8849 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8850
8851 @end itemize
8852
8853
8854 @node Concept index, , Bibliography, Top
8855 @c    node-name, next, previous, up
8856 @unnumbered Concept index
8857
8858 @printindex cp
8859
8860 @bye