]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Made log(exp(Pi)) evaluate to Pi.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2005 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{} 1999-2005 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic Concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The class hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting Expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1159 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163
1164 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1165 @c    node-name, next, previous, up
1166 @section Numbers
1167 @cindex @code{numeric} (class)
1168
1169 @cindex GMP
1170 @cindex CLN
1171 @cindex rational
1172 @cindex fraction
1173 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1174 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1175 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1176 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1177 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1178 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1179 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1180 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1181 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1182 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1183 several useful things: First, it introduces the complex number field
1184 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1185 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1186 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1187 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1188 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1189 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1190 calculation of some useful constants.
1191
1192 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1193 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1194 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1195 integers, construction from C-float and construction from a string:
1196
1197 @example
1198 #include <iostream>
1199 #include <ginac/ginac.h>
1200 using namespace GiNaC;
1201
1202 int main()
1203 @{
1204     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1205     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1206     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1207     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1208     // Trott's constant in scientific notation:
1209     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1210     
1211     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1212     ...
1213 @end example
1214
1215 @cindex @code{I}
1216 @cindex complex numbers
1217 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1218 name @code{I}:
1219
1220 @example
1221     ...
1222     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1223     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1224 @}
1225 @end example
1226
1227 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1228 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1229 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1230 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1231 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1232 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1233 also.
1234
1235 @cindex @code{Digits}
1236 @cindex accuracy
1237 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1238 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1239 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1240 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1241 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1242 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1243 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1244 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1245 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1246 digits:
1247
1248 @example
1249 #include <iostream>
1250 #include <ginac/ginac.h>
1251 using namespace std;
1252 using namespace GiNaC;
1253
1254 void foo()
1255 @{
1256     numeric three(3.0), one(1.0);
1257     numeric x = one/three;
1258
1259     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1260     cout << x << endl;
1261     cout << Pi.evalf() << endl;
1262 @}
1263
1264 int main()
1265 @{
1266     foo();
1267     Digits = 60;
1268     foo();
1269     return 0;
1270 @}
1271 @end example
1272
1273 The above example prints the following output to screen:
1274
1275 @example
1276 in 17 digits:
1277 0.33333333333333333334
1278 3.1415926535897932385
1279 in 60 digits:
1280 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1281 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1282 @end example
1283
1284 @cindex rounding
1285 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1286 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1287 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1288 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1289 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1290 architectures with different word size, the above output might even
1291 differ with regard to actually computed digits.
1292
1293 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1294 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1295 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1296
1297 @subsection Tests on numbers
1298
1299 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1300 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1301 kind of information from them like asking whether that number is
1302 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1303 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1304 certain CLN functions.)
1305
1306 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1307 some multiple of its denominator and test what comes out:
1308
1309 @example
1310 #include <iostream>
1311 #include <ginac/ginac.h>
1312 using namespace std;
1313 using namespace GiNaC;
1314
1315 // some very important constants:
1316 const numeric twentyone(21);
1317 const numeric ten(10);
1318 const numeric five(5);
1319
1320 int main()
1321 @{
1322     numeric answer = twentyone;
1323
1324     answer /= five;
1325     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1326     answer *= ten;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1328 @}
1329 @end example
1330
1331 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1332 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1333 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1334 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1335 the result is automatically converted to a pure integer again.
1336 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1337 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1338 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1339 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1340 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1341 can be applied is listed in the following table.
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{.is_zero()}
1347 @tab @dots{}equal to zero
1348 @item @code{.is_positive()}
1349 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1350 @item @code{.is_integer()}
1351 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1352 @item @code{.is_pos_integer()}
1353 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1354 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1356 @item @code{.is_even()}
1357 @tab @dots{}an even integer
1358 @item @code{.is_odd()}
1359 @tab @dots{}an odd integer
1360 @item @code{.is_prime()}
1361 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1362 @item @code{.is_rational()}
1363 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1364 @item @code{.is_real()}
1365 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1366 @item @code{.is_cinteger()}
1367 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1368 @item @code{.is_crational()}
1369 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1370 @end multitable
1371 @end cartouche
1372
1373 @subsection Numeric functions
1374
1375 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1376 evaluated immediately:
1377
1378 @cartouche
1379 @multitable @columnfractions .30 .70
1380 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1381 @item @code{inverse(z)}
1382 @tab returns @math{1/z}
1383 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1384 @item @code{pow(a, b)}
1385 @tab exponentiation @math{a^b}
1386 @item @code{abs(z)}
1387 @tab absolute value
1388 @item @code{real(z)}
1389 @tab real part
1390 @cindex @code{real()}
1391 @item @code{imag(z)}
1392 @tab imaginary part
1393 @cindex @code{imag()}
1394 @item @code{csgn(z)}
1395 @tab complex sign (returns an @code{int})
1396 @item @code{step(x)}
1397 @tab step function (returns an @code{numeric})
1398 @item @code{numer(z)}
1399 @tab numerator of rational or complex rational number
1400 @item @code{denom(z)}
1401 @tab denominator of rational or complex rational number
1402 @item @code{sqrt(z)}
1403 @tab square root
1404 @item @code{isqrt(n)}
1405 @tab integer square root
1406 @cindex @code{isqrt()}
1407 @item @code{sin(z)}
1408 @tab sine
1409 @item @code{cos(z)}
1410 @tab cosine
1411 @item @code{tan(z)}
1412 @tab tangent
1413 @item @code{asin(z)}
1414 @tab inverse sine
1415 @item @code{acos(z)}
1416 @tab inverse cosine
1417 @item @code{atan(z)}
1418 @tab inverse tangent
1419 @item @code{atan(y, x)}
1420 @tab inverse tangent with two arguments
1421 @item @code{sinh(z)}
1422 @tab hyperbolic sine
1423 @item @code{cosh(z)}
1424 @tab hyperbolic cosine
1425 @item @code{tanh(z)}
1426 @tab hyperbolic tangent
1427 @item @code{asinh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic sine
1429 @item @code{acosh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic cosine
1431 @item @code{atanh(z)}
1432 @tab inverse hyperbolic tangent
1433 @item @code{exp(z)}
1434 @tab exponential function
1435 @item @code{log(z)}
1436 @tab natural logarithm
1437 @item @code{Li2(z)}
1438 @tab dilogarithm
1439 @item @code{zeta(z)}
1440 @tab Riemann's zeta function
1441 @item @code{tgamma(z)}
1442 @tab gamma function
1443 @item @code{lgamma(z)}
1444 @tab logarithm of gamma function
1445 @item @code{psi(z)}
1446 @tab psi (digamma) function
1447 @item @code{psi(n, z)}
1448 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1449 @item @code{factorial(n)}
1450 @tab factorial function @math{n!}
1451 @item @code{doublefactorial(n)}
1452 @tab double factorial function @math{n!!}
1453 @cindex @code{doublefactorial()}
1454 @item @code{binomial(n, k)}
1455 @tab binomial coefficients
1456 @item @code{bernoulli(n)}
1457 @tab Bernoulli numbers
1458 @cindex @code{bernoulli()}
1459 @item @code{fibonacci(n)}
1460 @tab Fibonacci numbers
1461 @cindex @code{fibonacci()}
1462 @item @code{mod(a, b)}
1463 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1464 @cindex @code{mod()}
1465 @item @code{smod(a, b)}
1466 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1467 @cindex @code{smod()}
1468 @item @code{irem(a, b)}
1469 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1470 @cindex @code{irem()}
1471 @item @code{irem(a, b, q)}
1472 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1473 @item @code{iquo(a, b)}
1474 @tab integer quotient
1475 @cindex @code{iquo()}
1476 @item @code{iquo(a, b, r)}
1477 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1478 @item @code{gcd(a, b)}
1479 @tab greatest common divisor
1480 @item @code{lcm(a, b)}
1481 @tab least common multiple
1482 @end multitable
1483 @end cartouche
1484
1485 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1486 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1487 as polynomial algorithms.
1488
1489 @subsection Converting numbers
1490
1491 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1492 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1493 class provides a couple of methods for this purpose:
1494
1495 @cindex @code{to_int()}
1496 @cindex @code{to_long()}
1497 @cindex @code{to_double()}
1498 @cindex @code{to_cl_N()}
1499 @example
1500 int numeric::to_int() const;
1501 long numeric::to_long() const;
1502 double numeric::to_double() const;
1503 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1504 @end example
1505
1506 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1507 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1508 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1509 rational number will return a floating-point approximation. Both
1510 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1511 part of complex numbers.
1512
1513
1514 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1515 @c    node-name, next, previous, up
1516 @section Constants
1517 @cindex @code{constant} (class)
1518
1519 @cindex @code{Pi}
1520 @cindex @code{Catalan}
1521 @cindex @code{Euler}
1522 @cindex @code{evalf()}
1523 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1524 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1525
1526 The predefined known constants are:
1527
1528 @cartouche
1529 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1530 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1531 @item @code{Pi}
1532 @tab Archimedes' constant
1533 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1534 @item @code{Catalan}
1535 @tab Catalan's constant
1536 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1537 @item @code{Euler}
1538 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1539 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1540 @end multitable
1541 @end cartouche
1542
1543
1544 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1545 @c    node-name, next, previous, up
1546 @section Sums, products and powers
1547 @cindex polynomial
1548 @cindex @code{add}
1549 @cindex @code{mul}
1550 @cindex @code{power}
1551
1552 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1553 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1554 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1555 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1556 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1557 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1558 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1559 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1560
1561 @example
1562     ...
1563     symbol a("a"), b("b");
1564     ex MyTerm = 1+a*b;
1565     ...
1566 @end example
1567
1568 @cindex @code{pow()}
1569 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1570 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1571 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1572 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1573 have several counterintuitive and undesired effects:
1574
1575 @itemize @bullet
1576 @item
1577 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1578 @item
1579 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1580 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1581 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1582 @item
1583 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1584 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1585 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1586 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1587 has requested @code{2^3}.)
1588 @end itemize
1589
1590 @cindex @command{ginsh}
1591 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1592 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1593 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1594 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1595 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1596 not exist at all in C++).
1597
1598 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1599 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1600 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1601 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1602 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1603 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1604 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1605 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1606 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1607 @code{x} negative.
1608
1609 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1610 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1611 and safe simplifications are carried out like transforming
1612 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1613
1614
1615 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1616 @c    node-name, next, previous, up
1617 @section Lists of expressions
1618 @cindex @code{lst} (class)
1619 @cindex lists
1620 @cindex @code{nops()}
1621 @cindex @code{op()}
1622 @cindex @code{append()}
1623 @cindex @code{prepend()}
1624 @cindex @code{remove_first()}
1625 @cindex @code{remove_last()}
1626 @cindex @code{remove_all()}
1627
1628 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1629 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1630 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1631 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1632 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1633
1634 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1635 expressions:
1636
1637 @example
1638 @{
1639     symbol x("x"), y("y");
1640     lst l;
1641     l = x, 2, y, x+y;
1642     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1643     // in that order
1644     ...
1645 @end example
1646
1647 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1648 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1649
1650 @example
1651     ...
1652     // This produces the same list 'l' as above:
1653     // lst l(x, 2, y, x+y);
1654     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1655     ...
1656 @end example
1657
1658 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1659 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1660 individual elements:
1661
1662 @example
1663     ...
1664     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1665     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1666     ...
1667 @end example
1668
1669 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1670 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1671 sequential access to the elements of a list is possible with the
1672 iterator types provided by the @code{lst} class:
1673
1674 @example
1675 typedef ... lst::const_iterator;
1676 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1677 lst::const_iterator lst::begin() const;
1678 lst::const_iterator lst::end() const;
1679 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1680 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1681 @end example
1682
1683 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // O(N)
1688     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1689         cout << *i << endl;
1690     ...
1691 @end example
1692
1693 which is one order faster than
1694
1695 @example
1696     ...
1697     // O(N^2)
1698     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1699         cout << l.op(i) << endl;
1700     ...
1701 @end example
1702
1703 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1704 the C++ standard library:
1705
1706 @example
1707     ...
1708     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1709     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1710
1711     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1712     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1713     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1714     ...
1715 @end example
1716
1717 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1718 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1719
1720 @example
1721     ...
1722     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1723     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1724     ...
1725 @end example
1726
1727 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1728 and @code{prepend()} methods:
1729
1730 @example
1731     ...
1732     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1733     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1738 and @code{remove_last()}:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1743     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1748
1749 @example
1750     ...
1751     l.remove_all();     // l is now empty
1752     ...
1753 @end example
1754
1755 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1756
1757 @example
1758     ...
1759     lst l1, l2;
1760     l1 = x, 2, y, x+y;
1761     l2 = 2, x+y, x, y;
1762     l1.sort();
1763     l2.sort();
1764     // l1 and l2 are now equal
1765     ...
1766 @end example
1767
1768 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1769 elements with @code{unique()}:
1770
1771 @example
1772     ...
1773     lst l3;
1774     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1775     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1776 @}
1777 @end example
1778
1779
1780 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1781 @c    node-name, next, previous, up
1782 @section Mathematical functions
1783 @cindex @code{function} (class)
1784 @cindex trigonometric function
1785 @cindex hyperbolic function
1786
1787 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1788 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1789 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1790
1791 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1792 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1793 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1794 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1795 the next example, showing how a function returns itself twice and
1796 finally an expression that may be really useful:
1797
1798 @cindex Gamma function
1799 @cindex @code{subs()}
1800 @example
1801     ...
1802     symbol x("x"), y("y");    
1803     ex foo = x+y/2;
1804     cout << tgamma(foo) << endl;
1805      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1806     ex bar = foo.subs(y==1);
1807     cout << tgamma(bar) << endl;
1808      // -> tgamma(x+1/2)
1809     ex foobar = bar.subs(x==7);
1810     cout << tgamma(foobar) << endl;
1811      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1812     ...
1813 @end example
1814
1815 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1816 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1817 this.
1818
1819 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1820 functions, where the argument list is templated.  This means that
1821 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1822 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1823 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1824 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1825 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1826 point number of class @code{numeric} you should call
1827 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1828 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1829 wrapped inside an @code{ex}.
1830
1831
1832 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1833 @c    node-name, next, previous, up
1834 @section Relations
1835 @cindex @code{relational} (class)
1836
1837 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1838 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1839 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1840 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1841 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1842 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1843
1844 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1845 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1846 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1847 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1848 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1849 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1850 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1851 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1852 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1853 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1854 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1855 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1856 @code{expand()} must be called explicitly.
1857
1858 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1859 @c    node-name, next, previous, up
1860 @section Integrals
1861 @cindex @code{integral} (class)
1862
1863 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1864 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1865 1, you would write this as
1866 @example
1867 integral(x, 0, 1, x*x)
1868 @end example
1869 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1870 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1871 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1872 can be evaluated symbolically by calling the
1873 @example
1874 .eval_integ()
1875 @end example
1876 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1877 @example
1878 .evalf()
1879 @end example
1880 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1881 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1882 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1883 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1884 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1885 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1886 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1887 integrals is determined by the static member variable
1888 @example
1889 ex integral::relative_integration_error
1890 @end example
1891 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1892 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1893 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1894 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1895 variable
1896 @example
1897 int integral::max_integration_level
1898 @end example
1899 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1900 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1901 evaluation, is also available as
1902 @example
1903 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1904 const ex & error)
1905 @end example
1906 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1907 last parameter of the function is optional and defaults to the
1908 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1909 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1910 a lookup table is used.
1911
1912 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1913 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1914 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1915 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1916 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1917 with respect to the integration variable.
1918
1919 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1920 @c    node-name, next, previous, up
1921 @section Matrices
1922 @cindex @code{matrix} (class)
1923
1924 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1925 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1926 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1927 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1928
1929 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1930 elements. The constructor
1931
1932 @example
1933 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1934 @end example
1935
1936 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1937 set to zero.
1938
1939 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1940 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1941 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1942
1943 @example
1944 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1945 @end example
1946
1947 The function
1948
1949 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1950 @example
1951 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1952 @end example
1953
1954 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1955
1956 There is also a set of functions for creating some special types of
1957 matrices:
1958
1959 @cindex @code{diag_matrix()}
1960 @cindex @code{unit_matrix()}
1961 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1962 @example
1963 ex diag_matrix(const lst & l);
1964 ex unit_matrix(unsigned x);
1965 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1966 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1967 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1968                    const string & tex_base_name);
1969 @end example
1970
1971 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1972 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1973 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1974 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1975 and the position of each element in the matrix.
1976
1977 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1978 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1979 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1980 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1981 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1982 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1983
1984 @cindex @code{sub_matrix()}
1985 @cindex @code{reduced_matrix()}
1986 @example
1987 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1988 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1989 @end example
1990
1991 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1992 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1993 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1994 that specify which row and column to remove:
1995
1996 @example
1997 @{
1998     matrix m(3,3);
1999     m = 11, 12, 13,
2000         21, 22, 23,
2001         31, 32, 33;
2002     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2003     // -> [[11,13],[31,33]]
2004     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2005     // -> [[22,23],[32,33]]
2006 @}
2007 @end example
2008
2009 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2010 operator:
2011
2012 @example
2013 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2014 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2015 @end example
2016
2017 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2018 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2019 @samp{[]} is not available.
2020
2021 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2022
2023 @example
2024 @{
2025     symbol a("a"), b("b");
2026
2027     matrix M(2, 2);
2028     M = a, 0,
2029         0, b;
2030     cout << M << endl;
2031      // -> [[a,0],[0,b]]
2032
2033     matrix M2(2, 2);
2034     M2(0, 0) = a;
2035     M2(1, 1) = b;
2036     cout << M2 << endl;
2037      // -> [[a,0],[0,b]]
2038
2039     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2040      // -> [[a,0],[0,b]]
2041
2042     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2043      // -> [[a,0],[0,b]]
2044
2045     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     cout << unit_matrix(3) << endl;
2049      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2050
2051     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2052      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2053 @}
2054 @end example
2055
2056 @cindex @code{transpose()}
2057 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2058 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2059
2060 @example
2061 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2063 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2064 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2065 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2066 matrix matrix::transpose() const;
2067 @end example
2068
2069 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2070 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2071 and @math{C}:
2072
2073 @example
2074 @{
2075     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2076     A =  1, 2,
2077          3, 4;
2078     B = -1, 0,
2079          2, 1;
2080     C =  8, 4,
2081          2, 1;
2082
2083     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2084     cout << result << endl;
2085      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2086     ...
2087 @}
2088 @end example
2089
2090 @cindex @code{evalm()}
2091 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2092 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2093 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2094 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2095 method
2096
2097 @example
2098 ex ex::evalm() const;
2099 @end example
2100
2101 to obtain the result:
2102
2103 @example
2104 @{
2105     ...
2106     ex e = A*B - 2*C;
2107     cout << e << endl;
2108      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2109     cout << e.evalm() << endl;
2110      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2111     ...
2112 @}
2113 @end example
2114
2115 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2116 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2117 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2118 dealing with non-commutative expressions.
2119
2120 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2121 to perform the arithmetic:
2122
2123 @example
2124 @{
2125     ...
2126     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2127     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2128     cout << e << endl;
2129      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2130     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2131      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2132 @}
2133 @end example
2134
2135 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2136 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2137 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2138 more information about using matrices with indices, and about indices in
2139 general.
2140
2141 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2142 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2143
2144 @cindex @code{determinant()}
2145 @cindex @code{trace()}
2146 @cindex @code{charpoly()}
2147 @cindex @code{rank()}
2148 @example
2149 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2150 ex matrix::trace() const;
2151 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2152 unsigned matrix::rank() const;
2153 @end example
2154
2155 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2156 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2157 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2158 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2159 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2160 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2161 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2162 quickly.
2163
2164 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2165 @cindex @code{solve()}
2166 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2167 method and linear systems may be solved with:
2168
2169 @example
2170 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2171                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2172 @end example
2173
2174 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2175 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2176 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2177 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2178 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2179 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2180 overdetermined, an exception is thrown.
2181
2182
2183 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2184 @c    node-name, next, previous, up
2185 @section Indexed objects
2186
2187 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2188 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2189 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2190 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2191
2192 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2193 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2194 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2195 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2196
2197 @cindex @code{idx} (class)
2198 @cindex @code{indexed} (class)
2199 @subsection Indexed quantities and their indices
2200
2201 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2202 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2203
2204 @itemize @bullet
2205
2206 @cindex contravariant
2207 @cindex covariant
2208 @cindex variance
2209 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2210 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2211 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2212 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2213 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2214 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2215
2216 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2217 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2218 one or more indices.
2219
2220 @end itemize
2221
2222 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2223 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2224 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2225 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2226 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2227 not visible in the output.
2228
2229 A simple example shall illustrate the concepts:
2230
2231 @example
2232 #include <iostream>
2233 #include <ginac/ginac.h>
2234 using namespace std;
2235 using namespace GiNaC;
2236
2237 int main()
2238 @{
2239     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2240     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2241
2242     symbol A("A");
2243     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i.j
2245     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2246      // -> A.i[3].j[3]
2247     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2248     ...
2249 @end example
2250
2251 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2252 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2253 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2254 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2255 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2256 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2257 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2258 @code{j}.
2259
2260 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2261 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2262 as shown above.
2263
2264 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2265 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2266 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2267 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2268 correct and will raise an exception:
2269
2270 @example
2271 symbol i("i"), j("j");
2272 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2273 @end example
2274
2275 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2276 be numeric, and index dimensions symbolic:
2277
2278 @example
2279     ...
2280     symbol B("B"), dim("dim");
2281     cout << 4 * indexed(A, i)
2282           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2283      // -> B.j.2.i+4*A.i
2284     ...
2285 @end example
2286
2287 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2288 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2289 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2290 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2291 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2292
2293 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2294 arbitrary expressions:
2295
2296 @example
2297     ...
2298     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2299      // -> (B+A).(1+2*i)
2300     ...
2301 @end example
2302
2303 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2304 get an error message from this but you will probably not be able to do
2305 anything useful with it.
2306
2307 @cindex @code{get_value()}
2308 @cindex @code{get_dimension()}
2309 The methods
2310
2311 @example
2312 ex idx::get_value();
2313 ex idx::get_dimension();
2314 @end example
2315
2316 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2317 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2318 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2319 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2320
2321 There are also the methods
2322
2323 @example
2324 bool idx::is_numeric();
2325 bool idx::is_symbolic();
2326 bool idx::is_dim_numeric();
2327 bool idx::is_dim_symbolic();
2328 @end example
2329
2330 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2331 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2332 About Expressions}) returns information about the index value.
2333
2334 @cindex @code{varidx} (class)
2335 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2336
2337 @example
2338     ...
2339     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2340     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2341     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2342
2343     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2344      // -> A~mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2348      // -> A.mu~nu
2349     ...
2350 @end example
2351
2352 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2353 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2354 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2355 constructor. The two methods
2356
2357 @example
2358 bool varidx::is_covariant();
2359 bool varidx::is_contravariant();
2360 @end example
2361
2362 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2363 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2364 method
2365
2366 @example
2367 ex varidx::toggle_variance();
2368 @end example
2369
2370 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2371 variance. By using it you only have to define the index once.
2372
2373 @cindex @code{spinidx} (class)
2374 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2375 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2376
2377 @example
2378     ...
2379     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2380     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2381                                             // contravariant, undotted
2382     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2383     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2384     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2385
2386     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2387      // -> K~C~D
2388     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2389      // -> K.C~*D
2390     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2391      // -> K.*D~D
2392     ...
2393 @end example
2394
2395 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2396 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2397 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2398 methods
2399
2400 @example
2401 bool spinidx::is_dotted();
2402 bool spinidx::is_undotted();
2403 @end example
2404
2405 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2406 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2407 Finally, the two methods
2408
2409 @example
2410 ex spinidx::toggle_dot();
2411 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2412 @end example
2413
2414 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2415 and the same or opposite variance.
2416
2417 @subsection Substituting indices
2418
2419 @cindex @code{subs()}
2420 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2421 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2422 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2423 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2424
2425 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2426 by another index or expression:
2427
2428 @example
2429     ...
2430     ex e = indexed(A, mu_co);
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~nu
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A~0
2435     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2436      // -> A.mu becomes A.0
2437     ...
2438 @end example
2439
2440 The third example shows that trying to replace an index with something that
2441 is not an index will substitute the index value instead.
2442
2443 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2444 another expression:
2445
2446 @example
2447     ...
2448     ex e = indexed(A, mu_co);
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.nu
2451     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2452      // -> A.mu becomes A.0
2453     ...
2454 @end example
2455
2456 As you see, with the second method only the value of the index will get
2457 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2458 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2459 whole index by another one with the new dimension.
2460
2461 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2462 expected:
2463
2464 @example
2465     ...
2466     ex e = indexed(A, mu_co);
2467     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2468      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2469     ...
2470 @end example
2471
2472 @subsection Symmetries
2473 @cindex @code{symmetry} (class)
2474 @cindex @code{sy_none()}
2475 @cindex @code{sy_symm()}
2476 @cindex @code{sy_anti()}
2477 @cindex @code{sy_cycl()}
2478
2479 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2480 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2481 that is constructed with the helper functions
2482
2483 @example
2484 symmetry sy_none(...);
2485 symmetry sy_symm(...);
2486 symmetry sy_anti(...);
2487 symmetry sy_cycl(...);
2488 @end example
2489
2490 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2491 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2492 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2493 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2494 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2495 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2496 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2497 all indices.
2498
2499 Here are some examples of symmetry definitions:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     // No symmetry:
2504     e = indexed(A, i, j);
2505     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2506     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2507
2508     // Symmetric in all three indices:
2509     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2510     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2511     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2512                                                // different canonical order
2513
2514     // Symmetric in the first two indices only:
2515     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2516     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2517
2518     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2519     // be contiguous):
2520     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2521     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2522
2523     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2524     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2525     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2526     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2527
2528     // Cyclic symmetry in all three indices:
2529     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2530     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2531
2532     // The following examples are invalid constructions that will throw
2533     // an exception at run time.
2534
2535     // An index may not appear multiple times:
2536     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2537     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2538
2539     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2540     // same number of indices:
2541     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2542
2543     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2544     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2545     ...
2546 @end example
2547
2548 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2549 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2550 full symmetry in the first six indices you would write
2551 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2552
2553 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2554 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2559           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2560      // -> 2*A.j.i
2561     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2562           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2563      // -> 0
2564     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2565           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2566      // -> 0
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 @cindex @code{get_free_indices()}
2571 @cindex dummy index
2572 @subsection Dummy indices
2573
2574 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2575 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2576 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2577 dummy nor free indices.
2578
2579 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2580 class and their value must be the same single symbol (an index like
2581 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2582 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2583 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2584
2585 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2586 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2587 of a sum are consistent:
2588
2589 @example
2590 @{
2591     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2592
2593     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2594     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2595
2596     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2597     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2598      // -> (.i,.k)
2599      // 'j' and 'l' are dummy indices
2600
2601     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2602     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2603
2604     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2605       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2606     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2607      // -> (~mu,~rho)
2608      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2609
2610     e = indexed(A, mu, mu);
2611     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2612      // -> (~mu)
2613      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2614      // variance
2615
2616     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2617     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2618      // this will throw an exception:
2619      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2620 @}
2621 @end example
2622
2623 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2624 A dummy index summation like 
2625 @tex
2626 $ a_i b^i$
2627 @end tex
2628 @ifnottex
2629 a.i b~i
2630 @end ifnottex
2631 can be expanded for indices with numeric
2632 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2633 @tex
2634 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2635 @end tex
2636 @ifnottex
2637 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2638 @end ifnottex
2639 This is performed by the function
2640
2641 @example
2642     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2643 @end example
2644
2645 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2646 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2647 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2648 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2649 @tex
2650 $ a_i b^i$
2651 @end tex
2652 @ifnottex
2653 a.i b~i
2654 @end ifnottex
2655 will be expanded to
2656 @tex
2657 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2658 @end tex
2659 @ifnottex
2660 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2661 @end ifnottex
2662
2663
2664 @cindex @code{simplify_indexed()}
2665 @subsection Simplifying indexed expressions
2666
2667 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2668 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2669 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2670 there is the method
2671
2672 @example
2673 ex ex::simplify_indexed();
2674 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2675 @end example
2676
2677 that performs some more expensive operations:
2678
2679 @itemize
2680 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2681   @code{get_free_indices()} does
2682 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2683   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2684 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2685   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2686   next section)
2687 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2688   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2689 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2690   of two tensors with a user-defined value
2691 @end itemize
2692
2693 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2694 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2695 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2696
2697 @example
2698 @{
2699     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2700     idx i(i_sym, 3);
2701
2702     scalar_products sp;
2703     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2704     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2705     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2706
2707     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2708     cout << e << endl;
2709      // -> (B+A).i*(A+C).i
2710
2711     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2712          << endl;
2713      // -> 4+C.i*B.i
2714 @}
2715 @end example
2716
2717 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2718 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2719 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2720 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2721 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2722 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2723 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2724 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2725
2726 @cindex @code{expand()}
2727 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2728 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2729 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2730
2731 @cindex @code{tensor} (class)
2732 @subsection Predefined tensors
2733
2734 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2735 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2736 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2737 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2738 indices are specified).
2739
2740 @cindex @code{delta_tensor()}
2741 @subsubsection Delta tensor
2742
2743 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2744 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2745 @code{delta_tensor()}:
2746
2747 @example
2748 @{
2749     symbol A("A"), B("B");
2750
2751     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2752         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2753
2754     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2755          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2756     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2757      // -> B.i.j*A.i.j
2758
2759     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2760      // -> 3
2761 @}
2762 @end example
2763
2764 @cindex @code{metric_tensor()}
2765 @subsubsection General metric tensor
2766
2767 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2768 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2769 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2770 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2771
2772 @example
2773 @{
2774     symbol A("A");
2775
2776     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2777
2778     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2779     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2780      // -> A~mu~rho
2781
2782     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2783     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2784      // -> g~mu~rho
2785
2786     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2787       * metric_tensor(nu, rho);
2788     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2789      // -> delta.mu~rho
2790
2791     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2792       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2793         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2794     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2795      // -> 4+A.rho~rho
2796 @}
2797 @end example
2798
2799 @cindex @code{lorentz_g()}
2800 @subsubsection Minkowski metric tensor
2801
2802 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2803 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2804 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2805 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2806 @samp{eta}):
2807
2808 @example
2809 @{
2810     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2811
2812     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2813       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2814     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2815      // -> 1
2816
2817     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2818       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2819     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2820      // -> -1
2821 @}
2822 @end example
2823
2824 @cindex @code{spinor_metric()}
2825 @subsubsection Spinor metric tensor
2826
2827 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2828 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2829 It is output as @samp{eps}:
2830
2831 @example
2832 @{
2833     symbol psi("psi");
2834
2835     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2836     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2837
2838     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> psi~A
2841
2842     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2843     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2844      // -> -psi~B
2845
2846     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2847     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2848      // -> -psi.A
2849
2850     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> psi.B
2853
2854     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2855     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2856      // -> 2
2857
2858     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2859     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2860      // -> -delta.A~C
2861 @}
2862 @end example
2863
2864 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2865
2866 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2867 @cindex @code{lorentz_eps()}
2868 @subsubsection Epsilon tensor
2869
2870 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2871 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2872 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2873 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2874 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2875 @samp{eps}.
2876
2877 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2878 dimensions:
2879
2880 @example
2881 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2882 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2883 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2884                bool pos_sig = false);
2885 @end example
2886
2887 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2888 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2889 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2890 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2891 tensor):
2892
2893 @example
2894 @{
2895     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2896            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2897     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2898         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2899     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2900      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2901
2902     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2903     symbol A("A"), B("B");
2904     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2905     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2906      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2907     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2908     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2909      // -> 0
2910 @}
2911 @end example
2912
2913 @subsection Linear algebra
2914
2915 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2916 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2917 and scalar products):
2918
2919 @example
2920 @{
2921     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2922     symbol x("x"), y("y");
2923
2924     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2925     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2926     A = 1, 2,
2927         3, 4;
2928     X = x, y;
2929
2930     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2931      // -> 5
2932
2933     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2934     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2935      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2936
2937     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2938     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2939      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2940 @}
2941 @end example
2942
2943 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2944 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2945 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2946
2947 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2948 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2949 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2950 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2951
2952 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2953 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2954 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2955 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2956 of the metric tensor.
2957
2958
2959 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2960 @c    node-name, next, previous, up
2961 @section Non-commutative objects
2962
2963 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2964 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2965 physics:
2966
2967 @itemize
2968 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2969 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2970 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2971 @end itemize
2972
2973 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2974 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2975 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2976 @ref{Matrices}.
2977
2978 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2979 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2980 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2981 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2982 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2983 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2984 by their class. Consider this example:
2985
2986 @example
2987     ...
2988     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2989     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2990     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2991     cout << e << endl;
2992      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2993     ...
2994 @end example
2995
2996 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2997 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2998 together while preserving the order of factors within each class (because
2999 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3000 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3001 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3002 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3003
3004 @cindex @code{ncmul} (class)
3005 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3006 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3007 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3008 though.
3009
3010 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3011 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3012 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3013 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3014 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3015 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3016 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3017 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3018
3019 @cindex @code{return_type()}
3020 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3021 Information about the commutativity of an object or expression can be
3022 obtained with the two member functions
3023
3024 @example
3025 unsigned ex::return_type() const;
3026 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3027 @end example
3028
3029 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3030 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3031 expressions in GiNaC:
3032
3033 @itemize
3034 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3035   classes are of this kind.
3036 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3037   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3038   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3039   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3040   class.
3041 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3042   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3043   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3044   @code{noncommutative_composite} expressions.
3045 @end itemize
3046
3047 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3048 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3049 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3050 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3051
3052 Here are a couple of examples:
3053
3054 @cartouche
3055 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3056 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3057 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3058 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3059 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3060 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3061 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3062 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3063 @end multitable
3064 @end cartouche
3065
3066 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3067 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3068 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3069 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3070 for color objects.
3071
3072 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3073 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3074 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3075 non-commutative expressions).
3076
3077
3078 @cindex @code{clifford} (class)
3079 @subsection Clifford algebra
3080
3081
3082 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3083 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3084 mathematical). 
3085
3086 @cindex @code{dirac_gamma()}
3087 @subsubsection Dirac gamma matrices
3088 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3089 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3090 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3091 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3092 constructed by the function
3093
3094 @example
3095 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3096 @end example
3097
3098 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3099 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3100 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3101 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3102 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3103 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3104
3105 @cindex @code{dirac_ONE()}
3106 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3107
3108 @example
3109 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3113 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3114 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3115 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3116 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3117
3118 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3119 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3120 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3121 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3122
3123 @example
3124 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3125 @end example
3126
3127 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3128 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3129 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3130 objects, constructed by
3131
3132 @example
3133 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3134 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3135 @end example
3136
3137 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3138 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3139
3140 @cindex @code{dirac_slash()}
3141 Finally, the function
3142
3143 @example
3144 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3145 @end example
3146
3147 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3148 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3149 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3150 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3151
3152 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3153 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3154 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3155
3156 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3157 for example
3158
3159 @example
3160 @{
3161     ...
3162     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3163     varidx mu(symbol("mu"), D);
3164     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3165          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3166     cout << e << endl;
3167      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3168     e = e.simplify_indexed();
3169     cout << e << endl;
3170      // -> -D*a\+2*a\
3171     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3172      // -> -2*a\
3173     ...
3174 @}
3175 @end example
3176
3177 @cindex @code{dirac_trace()}
3178 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3179 you use one of the functions
3180
3181 @example
3182 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3183                const ex & trONE = 4);
3184 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3185 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3186 @end example
3187
3188 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3189 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3190 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3191 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3192 element, which defaults to 4.
3193
3194 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3195 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3196 functional is not cyclic in
3197 @tex $D \ne 4$
3198 @end tex
3199 dimensions when acting on
3200 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3201 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3202 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3203
3204 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3205 @tex $D \ne 4$
3206 @end tex
3207 dimensions:
3208
3209 @example
3210 @{
3211     // 4 dimensions
3212     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3213     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3214            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3215     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3216      // -> -8*eta~rho~nu
3217 @}
3218 ...
3219 @{
3220     // D dimensions
3221     symbol D("D");
3222     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3223     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3224            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3225     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3226      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3227 @}
3228 @end example
3229
3230 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3231 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3232 QED:
3233
3234 @example
3235 @{
3236     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3237     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3238
3239     scalar_products sp;
3240     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3241     sp.add(l, q, ldotq);
3242
3243     ex e = dirac_gamma(mu) *
3244            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3245            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3246            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3247     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3248     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3249     cout << e << endl;
3250      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3251 @}
3252 @end example
3253
3254 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3255 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3256 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3257
3258 @example
3259 @{
3260     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3261     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3262     cout << e << endl;
3263      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3264
3265     e = canonicalize_clifford(e);
3266     cout << e << endl;
3267      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3268 @}
3269 @end example
3270
3271 @cindex @code{clifford_unit()}
3272 @subsubsection A generic Clifford algebra
3273
3274 A generic Clifford algebra, i.e. a
3275 @tex
3276 $2^n$
3277 @end tex
3278 dimensional algebra with
3279 generators 
3280 @tex $e_k$
3281 @end tex 
3282 satisfying the identities 
3283 @tex
3284 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3285 @end tex
3286 @ifnottex
3287 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3288 @end ifnottex
3289 for some bilinear form (@code{metric})
3290 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3291 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3292 function 
3293
3294 @example
3295     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3296                                 bool anticommuting = false);    
3297 @end example
3298
3299 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3300 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3301 @code{idx} as well.
3302 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3303 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3304 object. Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3305 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3306 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3307 assumption (i.e.
3308 @tex
3309 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3313 @end ifnottex
3314 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3315 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3316 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3317 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3318 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3319
3320 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3321 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3322 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3323 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3324 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3325 Clifford number.
3326 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3327 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3328 @code{anticommuting} property of a unit.
3329
3330 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3331 the Clifford algebra units with a call like that
3332
3333 @example
3334     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3335 @end example
3336
3337 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3338 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3339 automatically. 
3340
3341 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3342 ways. For example 
3343
3344 @example
3345 @{
3346     ... 
3347     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3348     realsymbol s("s");
3349     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3350     ex e = clifford_unit(nu, M);
3351     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3352     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3353     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3354     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3355     ...
3356 @}
3357 @end example
3358
3359 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3360 @tex
3361 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3362 @end tex
3363 @ifnottex
3364 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3365 @code{pow(e3, 2) = s}.
3366 @end ifnottex
3367
3368 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3369 A similar effect can be achieved from the function
3370
3371 @example
3372     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3373                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3374     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3375 @end example
3376
3377 which converts a list or vector 
3378 @tex
3379 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3380 @end tex
3381 @ifnottex
3382 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3383 @end ifnottex
3384 into the
3385 Clifford number 
3386 @tex
3387 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3388 @end tex
3389 @ifnottex
3390 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3391 @end ifnottex
3392 with @samp{e.k}
3393 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3394 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3395 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3396 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3397
3398 @example
3399 @{
3400     ...
3401     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3402     realsymbol s("s");
3403     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3404     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3405     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3406     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3407     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3408   ...
3409 @}
3410 @end example
3411
3412 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3413 There is the inverse function 
3414
3415 @example
3416     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3417 @end example
3418
3419 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3420 @tex
3421 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3422 @end tex
3423 @ifnottex
3424 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3425 @end ifnottex
3426 such that 
3427 @tex
3428 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3429 @end tex
3430 @ifnottex
3431 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3432 @end ifnottex
3433 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3434 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3435 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3436 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3437 @tex
3438 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3439 @end tex
3440 @ifnottex
3441 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3442 @end ifnottex
3443 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3444 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3445 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3446
3447 @cindex @code{clifford_prime()}
3448 @cindex @code{clifford_star()}
3449 @cindex @code{clifford_bar()}
3450 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3451
3452 @example
3453     ex clifford_prime(const ex & e)
3454     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3455     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3456 @end example
3457
3458 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3459 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3460 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3461 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3462 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3463 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3464 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3465 in a product. These functions correspond to the notations
3466 @math{e'},
3467 @tex
3468 $e^*$
3469 @end tex
3470 @ifnottex
3471 e*
3472 @end ifnottex
3473 and
3474 @tex
3475 $\overline{e}$
3476 @end tex
3477 @ifnottex
3478 @code{\bar@{e@}}
3479 @end ifnottex
3480 used in Clifford algebra textbooks.
3481
3482 @cindex @code{clifford_norm()}
3483 The function
3484
3485 @example
3486     ex clifford_norm(const ex & e);
3487 @end example
3488
3489 @cindex @code{clifford_inverse()}
3490 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3491 @tex
3492 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3493 @end tex
3494 @ifnottex
3495 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3496 @end ifnottex
3497  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3498
3499 @example
3500     ex clifford_inverse(const ex & e);
3501 @end example
3502
3503 which calculates it as 
3504 @tex
3505 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3506 @end tex
3507 @ifnottex
3508 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3509 @end ifnottex
3510  If
3511 @tex
3512 $||e|| = 0$
3513 @end tex
3514 @ifnottex
3515 @math{||e||=0}
3516 @end ifnottex
3517 then an exception is raised.
3518
3519 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3520 If a Clifford number happens to be a factor of
3521 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3522 expression by the function
3523
3524 @example
3525     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3526 @end example
3527
3528 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3529 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3530 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3531
3532 The next provided function is
3533
3534 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3535 @example
3536     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3537                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3538                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3539     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3540                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3541 @end example 
3542
3543 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3544 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3545 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3546 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3547 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3548 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are ignored
3549 even if supplied.  The returned value of this function is a list of
3550 components of the resulting vector.
3551
3552 @cindex @code{clifford_max_label()}
3553 Finally the function
3554
3555 @example
3556 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3557 @end example
3558
3559 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3560 such objects are found it returns the maximal
3561 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3562 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3563 be ignored during the search.
3564  
3565 LaTeX output for Clifford units looks like
3566 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3567 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3568 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3569 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3570 @example
3571     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3572 @end example
3573 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3574 @example
3575     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3576 @end example
3577 prints units with @code{representation_label=0} as 
3578 @tex
3579 $e$,
3580 @end tex
3581 @ifnottex
3582 @code{e},
3583 @end ifnottex
3584 with @code{representation_label=1} as 
3585 @tex
3586 $\tilde{e}$
3587 @end tex
3588 @ifnottex
3589 @code{\tilde@{e@}}
3590 @end ifnottex
3591  and with @code{representation_label=2} as 
3592 @tex
3593 $\breve{e}$.
3594 @end tex
3595 @ifnottex
3596 @code{\breve@{e@}}.
3597 @end ifnottex
3598
3599 @cindex @code{color} (class)
3600 @subsection Color algebra
3601
3602 @cindex @code{color_T()}
3603 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3604 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3605 elements @math{T_a} are constructed by the function
3606
3607 @example
3608 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3609 @end example
3610
3611 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3612 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3613 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3614 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3615 not @code{varidx}.
3616
3617 @cindex @code{color_ONE()}
3618 The unity element of a color algebra is constructed by
3619
3620 @example
3621 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3622 @end example
3623
3624 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3625 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3626 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3627 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3628 GiNaC may produce incorrect results.
3629
3630 @cindex @code{color_d()}
3631 @cindex @code{color_f()}
3632 The functions
3633
3634 @example
3635 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3636 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3637 @end example
3638
3639 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3640 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3641 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3642
3643 These functions evaluate to their numerical values,
3644 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3645 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3646 goes along better with the notations used in physical literature.
3647
3648 @cindex @code{color_h()}
3649 There's an additional function
3650
3651 @example
3652 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3653 @end example
3654
3655 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3656
3657 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3658 expressions containing color objects:
3659
3660 @example
3661 @{
3662     ...
3663     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3664         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3665
3666     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3667     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3668      // -> 0
3669
3670     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3671     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3672      // -> 5/3*delta.k.l
3673
3674     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3675     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3676      // -> 3*delta.k.l
3677
3678     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3680      // -> -32/3
3681
3682     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3684      // -> -2/3*T.a
3685
3686     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3688      // -> -8/9*ONE
3689
3690     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3692      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3693     ...
3694 @end example
3695
3696 @cindex @code{color_trace()}
3697 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3698 of the functions
3699
3700 @example
3701 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3702 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3703 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3704 @end example
3705
3706 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3707 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3708 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3709 example:
3710
3711 @example
3712     ...
3713     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3714     cout << e << endl;
3715      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3716 @}
3717 @end example
3718
3719
3720 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3721 @c    node-name, next, previous, up
3722 @section Hash Maps
3723 @cindex hash maps
3724 @cindex @code{exhashmap} (class)
3725
3726 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3727 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3728 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3729 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3730
3731 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3732 following differences:
3733
3734 @itemize @bullet
3735 @item
3736 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3737 @item
3738 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3739 @item 
3740 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3741 @item
3742 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3743 @code{ex_is_less}
3744 @item
3745 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3746 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3747 larger than the specified value)
3748 @item
3749 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3750 table
3751 @item 
3752 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3753 @end itemize
3754
3755
3756 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3757 @c    node-name, next, previous, up
3758 @chapter Methods and Functions
3759 @cindex polynomial
3760
3761 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3762 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3763 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3764 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3765 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3766 example:
3767
3768 @example
3769     ...
3770     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3771     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3772     ...
3773 @end example
3774
3775 @cindex @code{subs()}
3776 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3777 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3778 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3779 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3780 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3781 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3782 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3783 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3784 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3785 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3786 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3787 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3788 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3789 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3790 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3791 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3792 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3793 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3794 avoided.
3795
3796 @menu
3797 * Information About Expressions::
3798 * Numerical Evaluation::
3799 * Substituting Expressions::
3800 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3801 * Applying a Function on Subexpressions::
3802 * Visitors and Tree Traversal::
3803 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3804 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3805 * Symbolic Differentiation::
3806 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3807 * Symmetrization::
3808 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3809 * Multiple polylogarithms::
3810 * Complex Conjugation::
3811 * Solving Linear Systems of Equations::
3812 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3813 @end menu
3814
3815
3816 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3817 @c    node-name, next, previous, up
3818 @section Getting information about expressions
3819
3820 @subsection Checking expression types
3821 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3822 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3823 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3824 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3825 @cindex @code{info()}
3826 @cindex @code{return_type()}
3827 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3828
3829 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3830 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3831 GiNaC provides a couple of functions for this:
3832
3833 @example
3834 bool is_a<T>(const ex & e);
3835 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3836 bool ex::info(unsigned flag);
3837 unsigned ex::return_type() const;
3838 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3839 @end example
3840
3841 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3842 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3843 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3844 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3845
3846 @example
3847 @{
3848     @dots{}
3849     if (is_a<numeric>(e))
3850         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3851     @dots{}
3852 @}
3853 @end example
3854
3855 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3856 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3857 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3858 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3859
3860 @example
3861 @{
3862     symbol x("x");
3863     ex e1 = 42;
3864     ex e2 = 4*x - 3;
3865     is_a<numeric>(e1);  // true
3866     is_a<numeric>(e2);  // false
3867     is_a<add>(e1);      // false
3868     is_a<add>(e2);      // true
3869     is_a<mul>(e1);      // false
3870     is_a<mul>(e2);      // false
3871 @}
3872 @end example
3873
3874 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3875 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3876 class @samp{T}, not including parent classes.
3877
3878 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3879 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3880 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3881 table:
3882
3883 @cartouche
3884 @multitable @columnfractions .30 .70
3885 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3886 @item @code{numeric}
3887 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3888 @item @code{real}
3889 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3890 @item @code{rational}
3891 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3892 @item @code{integer}
3893 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3894 @item @code{crational}
3895 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3896 @item @code{cinteger}
3897 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3898 @item @code{positive}
3899 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3900 @item @code{negative}
3901 @tab @dots{}not complex and less than 0
3902 @item @code{nonnegative}
3903 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3904 @item @code{posint}
3905 @tab @dots{}an integer greater than 0
3906 @item @code{negint}
3907 @tab @dots{}an integer less than 0
3908 @item @code{nonnegint}
3909 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3910 @item @code{even}
3911 @tab @dots{}an even integer
3912 @item @code{odd}
3913 @tab @dots{}an odd integer
3914 @item @code{prime}
3915 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3916 @item @code{relation}
3917 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3918 @item @code{relation_equal}
3919 @tab @dots{}a @code{==} relation
3920 @item @code{relation_not_equal}
3921 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3922 @item @code{relation_less}
3923 @tab @dots{}a @code{<} relation
3924 @item @code{relation_less_or_equal}
3925 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3926 @item @code{relation_greater}
3927 @tab @dots{}a @code{>} relation
3928 @item @code{relation_greater_or_equal}
3929 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3930 @item @code{symbol}
3931 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3932 @item @code{list}
3933 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3934 @item @code{polynomial}
3935 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3936 @item @code{integer_polynomial}
3937 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3938 @item @code{cinteger_polynomial}
3939 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3940 @item @code{rational_polynomial}
3941 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3942 @item @code{crational_polynomial}
3943 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3944 @item @code{rational_function}
3945 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3946 @item @code{algebraic}
3947 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3948 @end multitable
3949 @end cartouche
3950
3951 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3952 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3953 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3954 for an explanation of these.
3955
3956
3957 @subsection Accessing subexpressions
3958 @cindex container
3959
3960 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3961 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3962 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3963 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3964
3965 @cindex @code{nops()}
3966 @cindex @code{op()}
3967 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3968 use the two methods
3969
3970 @example
3971 size_t ex::nops();
3972 ex ex::op(size_t i);
3973 @end example
3974
3975 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3976 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3977 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3978 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3979 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3980 @math{i>0} are the indices.
3981
3982 @cindex iterators
3983 @cindex @code{const_iterator}
3984 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3985 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3986
3987 @example
3988 const_iterator ex::begin();
3989 const_iterator ex::end();
3990 @end example
3991
3992 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3993 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3994 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3995 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3996
3997 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3998 given expression in three different ways:
3999
4000 @example
4001 @{
4002     ex e = ...
4003
4004     // with nops()/op()
4005     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4006         cout << e.op(i) << endl;
4007
4008     // with iterators
4009     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4010         cout << *i << endl;
4011
4012     // with iterators and STL copy()
4013     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4014 @}
4015 @end example
4016
4017 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4018 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4019 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4020 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4021 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4022 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4023 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4024 methods
4025
4026 @example
4027 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4028 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4029 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4030 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4031 @end example
4032
4033 The following example illustrates the differences between
4034 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4035 @code{const_postorder_iterator}:
4036
4037 @example
4038 @{
4039     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4040     ex e = lst(lst(A, B), C);
4041
4042     std::copy(e.begin(), e.end(),
4043               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4044     // @{A,B@}
4045     // C
4046
4047     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4048               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4049     // @{@{A,B@},C@}
4050     // @{A,B@}
4051     // A
4052     // B
4053     // C
4054
4055     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4056               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4057     // A
4058     // B
4059     // @{A,B@}
4060     // C
4061     // @{@{A,B@},C@}
4062 @}
4063 @end example
4064
4065 @cindex @code{relational} (class)
4066 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4067 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4068 methods
4069
4070 @example
4071 ex ex::lhs();
4072 ex ex::rhs();
4073 @end example
4074
4075
4076 @subsection Comparing expressions
4077 @cindex @code{is_equal()}
4078 @cindex @code{is_zero()}
4079
4080 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4081 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4082 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4083 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4084 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4085 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4086 @code{false}.
4087
4088 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4089 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4090 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4091
4092 There are also two methods
4093
4094 @example
4095 bool ex::is_equal(const ex & other);
4096 bool ex::is_zero();
4097 @end example
4098
4099 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4100 respectively.
4101
4102
4103 @subsection Ordering expressions
4104 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4105 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4106 @cindex @code{compare()}
4107
4108 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4109 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4110 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4111 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4112
4113 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4114 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4115 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4116 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4117 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4118 yield @code{true}.
4119
4120 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4121 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4122 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4123 predicates to the STL:
4124
4125 @example
4126 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4127 public:
4128     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4129 @};
4130
4131 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4132 public:
4133     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4134 @};
4135 @end example
4136
4137 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4138 have to use
4139
4140 @example
4141 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4142 @end example
4143
4144 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4145 bugs because the map operates improperly.
4146
4147 Other examples for the use of the functors:
4148
4149 @example
4150 std::vector<ex> v;
4151 // fill vector
4152 ...
4153
4154 // sort vector
4155 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4156
4157 // count the number of expressions equal to '1'
4158 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4159                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4160 @end example
4161
4162 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4163
4164 @example
4165 int ex::compare(const ex & other) const;
4166 @end example
4167
4168 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4169 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4170 after @code{other}.
4171
4172
4173 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4174 @c    node-name, next, previous, up
4175 @section Numerical evaluation
4176 @cindex @code{evalf()}
4177
4178 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4179 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4180
4181 @example
4182 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4183 @end example
4184
4185 @cindex @code{Digits}
4186 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4187 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4188 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4189
4190 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4191 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4192
4193 @example
4194 @{
4195     // Approximate sin(x/Pi)
4196     symbol x("x");
4197     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4198
4199     // Evaluate numerically at x=0.1
4200     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4201
4202     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4203     if (is_a<numeric>(f)) @{
4204         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4205         cout << d << endl;
4206          // -> 0.0318256
4207     @} else
4208         // error
4209 @}
4210 @end example
4211
4212
4213 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4214 @c    node-name, next, previous, up
4215 @section Substituting expressions
4216 @cindex @code{subs()}
4217
4218 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4219 expressions via the @code{.subs()} method:
4220
4221 @example
4222 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4223 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4224 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4225 @end example
4226
4227 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4228 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4229
4230 @example
4231 @{
4232     symbol x("x"), y("y");
4233
4234     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4235     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4236      // -> 73
4237
4238     ex e2 = x*y + x;
4239     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4240      // -> -10
4241 @}
4242 @end example
4243
4244 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4245 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4246
4247 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4248 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4249 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4250 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4251 be substituted is large or unknown.
4252
4253 Using this form, the second example from above would look like this:
4254
4255 @example
4256 @{
4257     symbol x("x"), y("y");
4258     ex e2 = x*y + x;
4259
4260     exmap m;
4261     m[x] = -2;
4262     m[y] = 4;
4263     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4264 @}
4265 @end example
4266
4267 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4268 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4269 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4270
4271 @example
4272 @{
4273     symbol x("x"), y("y");
4274     ex e2 = x*y + x;
4275
4276     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4277 @}
4278 @end example
4279
4280 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4281 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4282 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4283 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4284 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4285 algebraic substitutions in products and powers.
4286 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4287 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4288 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4289 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4290 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4291 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4292
4293 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4294 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4295 following example:
4296
4297 @example
4298 @{
4299     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4300
4301     ex e1 = pow(x+y, 2);
4302     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4303      // -> 16
4304
4305     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4306     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4307      // -> cos(x)^2*sin(y)
4308
4309     ex e3 = x+y+z;
4310     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4311      // -> x+y+z
4312      // (and not 4+z as one might expect)
4313 @}
4314 @end example
4315
4316 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4317 next section.
4318
4319
4320 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4321 @c    node-name, next, previous, up
4322 @section Pattern matching and advanced substitutions
4323 @cindex @code{wildcard} (class)
4324 @cindex Pattern matching
4325
4326 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4327 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4328 substituting expressions in a more general way.
4329
4330 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4331 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4332 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4333 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4334 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4335 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4336 with the call
4337
4338 @example
4339 ex wild(unsigned label = 0);
4340 @end example
4341
4342 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4343 name.
4344
4345 Some examples for patterns:
4346
4347 @multitable @columnfractions .5 .5
4348 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4349 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4350 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4351 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4352 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4353 @end multitable
4354
4355 Notes:
4356
4357 @itemize
4358 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4359   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4360 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4361   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4362   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4363 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4364   possible to use them as placeholders for other properties like index
4365   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4366   etc.
4367 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4368   as part of noncommutative products.
4369 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4370   are also valid patterns.
4371 @end itemize
4372
4373 @subsection Matching expressions
4374 @cindex @code{match()}
4375 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4376 matches a given pattern. This is done by the function
4377
4378 @example
4379 bool ex::match(const ex & pattern);
4380 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4381 @end example
4382
4383 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4384 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4385 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4386 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4387 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4388 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4389 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4390 expressions by passing in the result of a previous match.
4391
4392 The matching algorithm works as follows:
4393
4394 @itemize
4395 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4396   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4397   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4398   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4399 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4400   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4401   etc.).
4402 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4403   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4404 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4405   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4406   of the pattern.
4407 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4408   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4409 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4410   match the corresponding subexpression of the pattern.
4411 @end itemize
4412
4413 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4414 account for their commutativity and associativity:
4415
4416 @itemize
4417 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4418   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4419   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4420   way.
4421 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4422   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4423   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4424   further matches.
4425 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4426   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4427   which case this wildcard matches the remaining terms.
4428 @end itemize
4429
4430 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4431 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4432 ambiguous results.
4433
4434 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4435 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4436 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4437
4438 @example
4439 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4440 @{@}
4441 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4442 FAIL
4443 > match((x+y)^a,$1^$2);
4444 @{$1==x+y,$2==a@}
4445 > match((x+y)^a,$1^$1);
4446 FAIL
4447 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4448 @{$1==x+y@}
4449 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4450 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4451 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4452 @{$1==a@}
4453 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4454 @{$1==c,$2==b@}
4455   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4456 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4457   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4458    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4459    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4460    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4461    fail.)
4462 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4463   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4464    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4465 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4466 FAIL
4467 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4468 @{$0==a+e+b+f+d@}
4469 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4470 @{$0==a+b+f+d@}
4471 > match(a+b,a+b+$0);
4472 @{$0==0@}
4473 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4474 FAIL
4475   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4476    even though a==a^1.)
4477 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4478 @{$0==x@}
4479 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4480 @{$0==x^2@}
4481 @end example
4482
4483 @subsection Matching parts of expressions
4484 @cindex @code{has()}
4485 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4486 member function
4487
4488 @example
4489 bool ex::has(const ex & pattern);
4490 @end example
4491
4492 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4493 by any of its subexpressions.
4494
4495 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4496 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4497
4498 @example
4499 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4500 1
4501 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4502 0
4503   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4504    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4505 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4506 1
4507   (But this is possible.)
4508 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4509 0
4510   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4511    which "x+y" is not a subexpression.)
4512 > has(x+1,x^$1);
4513 0
4514   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4515    "x^something".)
4516 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4517 1
4518 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4519 0
4520   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4521    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4522    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4523 @end example
4524
4525 @cindex @code{find()}
4526 The method
4527
4528 @example
4529 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4530 @end example
4531
4532 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4533 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4534 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4535 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4536 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4537
4538 @example
4539 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4540 @{x@}
4541 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4542 @{@}
4543 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4544 @{x^3,x^2@}
4545   (Note the absence of "x".)
4546 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4547 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4548 > find(%,sin($1));
4549 @{sin(y),sin(x)@}
4550 @end example
4551
4552 @subsection Substituting expressions
4553 @cindex @code{subs()}
4554 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4555 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4556 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4557 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4558 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4559
4560 Some examples:
4561
4562 @example
4563 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4564 b^3+a^3+(x+y)^3
4565 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4566 b^4+a^4+(x+y)^4
4567 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4568 (a+b+c)^2
4569 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4570 (x+c)^2
4571 > subs(a+2*b,a+b==x);
4572 a+2*b
4573 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4574 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4575 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4576 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4577 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4578 cos(1+cos(x))
4579 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4580 a+b
4581 @end example
4582
4583 The last example would be written in C++ in this way:
4584
4585 @example
4586 @{
4587     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4588     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4589     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4590     cout << e.expand() << endl;
4591      // -> a+b
4592 @}
4593 @end example
4594
4595 @subsection The option algebraic
4596 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4597 extra options. This section describes what happens if you give the former
4598 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4599 @code{subs:options::algebraic}. In that case the matching condition for
4600 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4601 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4602 If you use these options you will find that
4603 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4604 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4605 often as is possible without getting negative exponents. For example
4606 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4607 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4608 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4609 return @code{x^(-1)*c^2*z}. Note that this only works for multiplications
4610 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4611
4612
4613 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4614 @c    node-name, next, previous, up
4615 @section Applying a function on subexpressions
4616 @cindex tree traversal
4617 @cindex @code{map()}
4618
4619 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4620 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4621 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4622 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4623 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4624 to do this manually which usually results in code like this:
4625
4626 @example
4627 ex calc_trace(ex e)
4628 @{
4629     if (is_a<matrix>(e))
4630         return ex_to<matrix>(e).trace();
4631     else if (is_a<add>(e)) @{
4632         ex sum = 0;
4633         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4634             sum += calc_trace(e.op(i));
4635         return sum;
4636     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4637         ...
4638     @} else @{
4639         ...
4640     @}
4641 @}
4642 @end example
4643
4644 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4645 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4646 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4647 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4648 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4649
4650 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4651 operations:
4652
4653 @example
4654 ex ex::map(map_function & f) const;
4655 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4656 @end example
4657
4658 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4659 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4660 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4661 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4662 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4663 non-recursively.
4664
4665 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4666 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4667 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4668 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4669 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4670
4671 @example
4672 struct calc_trace : public map_function @{
4673     ex operator()(const ex &e)
4674     @{
4675         if (is_a<matrix>(e))
4676             return ex_to<matrix>(e).trace();
4677         else if (is_a<mul>(e)) @{
4678             ...
4679         @} else
4680             return e.map(*this);
4681     @}
4682 @};
4683 @end example
4684
4685 This function object could then be used like this:
4686
4687 @example
4688 @{
4689     ex M = ... // expression with matrices
4690     calc_trace do_trace;
4691     ex tr = do_trace(M);
4692 @}
4693 @end example
4694
4695 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4696 terms in a variable from an expanded polynomial:
4697
4698 @example
4699 struct map_rem_quad : public map_function @{
4700     ex var;
4701     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4702
4703     ex operator()(const ex & e)
4704     @{
4705         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4706             return e.map(*this);
4707         else if (is_a<power>(e) && 
4708                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4709             return 0;
4710         else
4711             return e;
4712     @}
4713 @};
4714
4715 ...
4716
4717 @{
4718     symbol x("x"), y("y");
4719
4720     ex e;
4721     for (int i=0; i<8; i++)
4722         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4723     cout << e << endl;
4724      // -> 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
4725
4726     map_rem_quad rem_quad(x);
4727     cout << rem_quad(e) << endl;
4728      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4729 @}
4730 @end example
4731
4732 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4733 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4734 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4735 acts as the placeholder for the operands:
4736
4737 @example
4738 > map(a*b,sin($0));
4739 sin(a)*sin(b)
4740 > map(a+2*b,sin($0));
4741 sin(a)+sin(2*b)
4742 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4743 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4744 @end example
4745
4746 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4747 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4748 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4749
4750 @example
4751 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4752 @{0,0,0@}
4753   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4754   to "map(@{a,b,c@},0)".
4755 @end example
4756
4757
4758 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4759 @c    node-name, next, previous, up
4760 @section Visitors and tree traversal
4761 @cindex tree traversal
4762 @cindex @code{visitor} (class)
4763 @cindex @code{accept()}
4764 @cindex @code{visit()}
4765 @cindex @code{traverse()}
4766 @cindex @code{traverse_preorder()}
4767 @cindex @code{traverse_postorder()}
4768
4769 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4770 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4771 indices with variance you always want the covariant version returned.
4772
4773 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4774 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4775 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4776 with variance, one for plain ones).
4777
4778 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4779 such as the following:
4780
4781 @example
4782 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4783 @{
4784     if (is_a<varidx>(e)) @{
4785         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4786         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4787     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4788         l.append(e);
4789     @} else @{
4790         size_t n = e.nops();
4791         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4792             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4793     @}
4794 @}
4795
4796 lst gather_indices(const ex & e)
4797 @{
4798     lst l;
4799     gather_indices_helper(e, l);
4800     l.sort();
4801     l.unique();
4802     return l;
4803 @}
4804 @end example
4805
4806 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4807 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4808 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4809
4810 @example
4811     if (is_a<idx>(e)) @{
4812       ...
4813     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4814       ...
4815 @end example
4816
4817 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4818 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4819 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4820 executed.
4821
4822 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4823 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4824 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4825 write a function that required a different implementation for nearly
4826 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4827
4828 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4829 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4830 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4831 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4832 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4833 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4834 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4835 presented this would be impractical.
4836
4837 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4838 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4839 variation, described in detail in
4840 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4841 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4842 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4843 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4844 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4845 object that @code{accept()} was being invoked on.
4846
4847 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4848 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4849 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4850 each class.
4851
4852 A call of
4853
4854 @example
4855 void ex::accept(visitor & v) const;
4856 @end example
4857
4858 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4859 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4860 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4861
4862 Here is an example of a visitor:
4863
4864 @example
4865 class my_visitor
4866  : public visitor,          // this is required
4867    public add::visitor,     // visit add objects
4868    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4869    public basic::visitor    // visit basic objects
4870 @{
4871     void visit(const add & x)
4872     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4873
4874     void visit(const numeric & x)
4875     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4876
4877     void visit(const basic & x)
4878     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4879 @};
4880 @end example
4881
4882 which can be used as follows:
4883
4884 @example
4885 ...
4886     symbol x("x");
4887     ex e1 = 42;
4888     ex e2 = 4*x-3;
4889     ex e3 = 8*x;
4890
4891     my_visitor v;
4892     e1.accept(v);
4893      // prints "called with a numeric object"
4894     e2.accept(v);
4895      // prints "called with an add object"
4896     e3.accept(v);
4897      // prints "called with a basic object"
4898 ...
4899 @end example
4900
4901 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4902 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4903
4904 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4905 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4906 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4907 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4908 hierarchies of visitors.
4909
4910 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4911
4912 @example
4913 class gather_indices_visitor
4914  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4915 @{
4916     lst l;
4917
4918     void visit(const idx & i)
4919     @{
4920         l.append(i);
4921     @}
4922
4923     void visit(const varidx & vi)
4924     @{
4925         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4926     @}
4927
4928 public:
4929     const lst & get_result() // utility function
4930     @{
4931         l.sort();
4932         l.unique();
4933         return l;
4934     @}
4935 @};
4936 @end example
4937
4938 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4939 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4940
4941 @example
4942 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4943 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4944 void ex::traverse(visitor & v) const;
4945 @end example
4946
4947 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4948 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4949 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4950 @code{traverse_preorder()}.
4951
4952 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4953 and @code{traverse()}:
4954
4955 @example
4956 lst gather_indices(const ex & e)
4957 @{
4958     gather_indices_visitor v;
4959     e.traverse(v);
4960     return v.get_result();
4961 @}
4962 @end example
4963
4964 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4965 traversal:
4966
4967 @example
4968 lst gather_indices(const ex & e)
4969 @{
4970     gather_indices_visitor v;
4971     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4972          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4973         i->accept(v);
4974     @}
4975     return v.get_result();
4976 @}
4977 @end example
4978
4979
4980 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4981 @c    node-name, next, previous, up
4982 @section Polynomial arithmetic
4983
4984 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
4985 @cindex @code{is_polynomial()}
4986
4987 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
4988 can be done with the method
4989 @example
4990 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
4991 @end example
4992 In the case of more than
4993 one variable, the variables are given as a list.
4994
4995 @example
4996 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
4997 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
4998 @end example
4999
5000 @subsection Expanding and collecting
5001 @cindex @code{expand()}
5002 @cindex @code{collect()}
5003 @cindex @code{collect_common_factors()}
5004
5005 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5006 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5007 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5008 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5009 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5010 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5011 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5012 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5013 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5014 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5015 x*z}.
5016
5017 To bring an expression into expanded form, its method
5018
5019 @example
5020 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5021 @end example
5022
5023 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5024 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5025 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5026 orderings of terms in such sums!
5027
5028 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5029 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5030 being polynomials in the remaining variables.  The method
5031 @code{collect()} accomplishes this task:
5032
5033 @example
5034 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5035 @end example
5036
5037 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5038 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5039 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5040 by the @code{distributed} flag.
5041
5042 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5043 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5044 coefficients properly.
5045
5046 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5047 together with @code{find()}:
5048
5049 @example
5050 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5051 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)
5052 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5053 > collect(a,@{p,q@});
5054 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5055 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5056 > collect(a,find(a,sin($1)));
5057 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5058 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5059 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5060 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5061 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5062 @end example
5063
5064 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5065 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5066
5067 @example
5068 ex collect_common_factors(const ex & e);
5069 @end example
5070
5071 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5072 factors which are already explicitly present:
5073
5074 @example
5075 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5076 (x+y)*a
5077 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5078 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5079 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5080 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5081 @end example
5082
5083 @subsection Degree and coefficients
5084 @cindex @code{degree()}
5085 @cindex @code{ldegree()}
5086 @cindex @code{coeff()}
5087
5088 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5089 methods
5090
5091 @example
5092 int ex::degree(const ex & s);
5093 int ex::ldegree(const ex & s);
5094 @end example
5095
5096 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5097 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5098 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5099 an expanded polynomial you use
5100
5101 @example
5102 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5103 @end example
5104
5105 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5106
5107 @example
5108 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5109 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5110 @end example
5111
5112 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5113 respectively.
5114
5115 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5116 polynomial is analyzed:
5117
5118 @example
5119 @{
5120     symbol x("x"), y("y");
5121     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5122                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5123     ex Poly = PolyInp.expand();
5124     
5125     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5126         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5127              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5128     @}
5129     cout << "As polynomial in y: " 
5130          << Poly.collect(y) << endl;
5131 @}
5132 @end example
5133
5134 When run, it returns an output in the following fashion:
5135
5136 @example
5137 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5138 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5139 The x^2-coefficient is -1
5140 The x^3-coefficient is 4*y
5141 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5142 @end example
5143
5144 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5145 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5146 within the user's sphere of influence.
5147
5148 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5149 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5150 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5151 constants, functions and indexed objects as well:
5152
5153 @example
5154 @{
5155     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5156     idx i(symbol("i"), 3);
5157
5158     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5159     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5160      // -> 4
5161     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5162      // -> -4*cos(x)
5163
5164     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5165     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5166     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5167      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5168 @}
5169 @end example
5170
5171
5172 @subsection Polynomial division
5173 @cindex polynomial division
5174 @cindex quotient
5175 @cindex remainder
5176 @cindex pseudo-remainder
5177 @cindex @code{quo()}
5178 @cindex @code{rem()}
5179 @cindex @code{prem()}
5180 @cindex @code{divide()}
5181
5182 The two functions
5183
5184 @example
5185 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5186 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5187 @end example
5188
5189 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5190 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5191
5192 The additional function
5193
5194 @example
5195 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5196 @end example
5197
5198 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5199 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5200
5201 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5202
5203 @example
5204 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5205 @end example
5206
5207 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5208 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5209 in which case the value of @code{q} is undefined.
5210
5211
5212 @subsection Unit, content and primitive part
5213 @cindex @code{unit()}
5214 @cindex @code{content()}
5215 @cindex @code{primpart()}
5216 @cindex @code{unitcontprim()}
5217
5218 The methods
5219
5220 @example
5221 ex ex::unit(const ex & x);
5222 ex ex::content(const ex & x);
5223 ex ex::primpart(const ex & x);
5224 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5225 @end example
5226
5227 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5228 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5229 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5230 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5231 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5232 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5233 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5234 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5235
5236 Additionally, the method
5237
5238 @example
5239 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5240 @end example
5241
5242 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5243 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5244
5245
5246 @subsection GCD, LCM and resultant
5247 @cindex GCD
5248 @cindex LCM
5249 @cindex @code{gcd()}
5250 @cindex @code{lcm()}
5251
5252 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5253 multiple have the synopsis
5254
5255 @example
5256 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5257 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5258 @end example
5259
5260 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5261 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5262 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5263 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5264 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5265 the coefficients must be rationals.
5266
5267 @example
5268 #include <ginac/ginac.h>
5269 using namespace GiNaC;
5270
5271 int main()
5272 @{
5273     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5274     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5275     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5276
5277     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5278     // x + 5*y + 4*z
5279     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5280     // 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
5281 @}
5282 @end example
5283
5284 @cindex resultant
5285 @cindex @code{resultant()}
5286
5287 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5288 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5289 expressions. The function has the interface
5290
5291 @example
5292 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5293 @end example
5294
5295 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5296 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5297 @code{y}, respectively:
5298
5299 @example
5300 #include <ginac/ginac.h>
5301 using namespace GiNaC;
5302
5303 int main()
5304 @{
5305     symbol x("x"), y("y");
5306
5307     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5308     ex r;
5309     
5310     r = resultant(e1, e2, x); 
5311     // -> 1+2*y^6
5312     r = resultant(e1, e2, y); 
5313     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5314 @}
5315 @end example
5316
5317 @subsection Square-free decomposition
5318 @cindex square-free decomposition
5319 @cindex factorization
5320 @cindex @code{sqrfree()}
5321
5322 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5323 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5324 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5325 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5326 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5327 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5328 one, too:
5329 @example
5330 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5331 @end example
5332 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5333 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5334 some care with subsequent processing of the result:
5335 @example
5336     ...
5337     symbol x("x"), y("y");
5338     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5339
5340     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5341      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5342
5343     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5344      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5345
5346     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5347      // -> depending on luck, any of the above
5348     ...
5349 @end example
5350 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5351 with this method.
5352
5353
5354 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5355 @c    node-name, next, previous, up
5356 @section Rational expressions
5357
5358 @subsection The @code{normal} method
5359 @cindex @code{normal()}
5360 @cindex simplification
5361 @cindex temporary replacement
5362
5363 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5364 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5365 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5366 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5367 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5368 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5369
5370 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5371 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5372 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5373 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5374 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5375 @code{.to_rational()}, described below.
5376
5377 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5378 simplified in this little code snippet:
5379
5380 @example
5381 @{
5382     symbol x("x");
5383     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5384     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5385     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5386     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5387 @}
5388 @end example
5389
5390 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5391 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5392 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5393
5394
5395 @subsection Numerator and denominator
5396 @cindex numerator
5397 @cindex denominator
5398 @cindex @code{numer()}
5399 @cindex @code{denom()}
5400 @cindex @code{numer_denom()}
5401
5402 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5403
5404 @example
5405 ex ex::numer();
5406 ex ex::denom();
5407 ex ex::numer_denom();
5408 @end example
5409
5410 These functions will first normalize the expression as described above and
5411 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5412 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5413 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5414
5415
5416 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5417 @cindex @code{to_polynomial()}
5418 @cindex @code{to_rational()}
5419
5420 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5421 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5422 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5423 above. You do this by calling
5424
5425 @example
5426 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5427 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5428 @end example
5429 or
5430 @example
5431 ex ex::to_rational(exmap & m);
5432 ex ex::to_rational(lst & l);
5433 @end example
5434
5435 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5436 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5437 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5438 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5439 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5440 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5441
5442 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5443 is probably best illustrated with an example:
5444
5445 @example
5446 @{
5447     symbol x("x"), y("y");
5448     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5449     cout << a << endl;
5450
5451     lst lp;
5452     ex p = a.to_polynomial(lp);
5453     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5454      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5455      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5456
5457     lst lr;
5458     ex r = a.to_rational(lr);
5459     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5460      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5461      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5462 @}
5463 @end example
5464
5465 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5466
5467 @example
5468 @{
5469     symbol x("x");
5470     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5471     ex b = sin(x) + cos(x);
5472     ex q;
5473     exmap m;
5474     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5475     cout << q.subs(m) << endl;
5476 @}
5477 @end example
5478
5479
5480 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5481 @c    node-name, next, previous, up
5482 @section Symbolic differentiation
5483 @cindex differentiation
5484 @cindex @code{diff()}
5485 @cindex chain rule
5486 @cindex product rule
5487
5488 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5489 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5490 the derivatives of all the monomials:
5491
5492 @example
5493 @{
5494     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5495     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5496
5497     cout << P.diff(x,2) << endl;
5498      // -> 20*x^3 + 2
5499     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5500      // -> 1
5501     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5502      // -> 0
5503 @}
5504 @end example
5505
5506 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5507 returns the @var{n}th derivative.
5508
5509 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5510 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5511 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5512 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5513 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5514 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5515 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5516 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5517 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5518 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5519 lines:
5520
5521 @cindex Euler numbers
5522 @example
5523 #include <ginac/ginac.h>
5524 using namespace GiNaC;
5525
5526 ex EulerNumber(unsigned n)
5527 @{
5528     symbol x;
5529     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5530     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5531 @}
5532
5533 int main()
5534 @{
5535     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5536         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5537     return 0;
5538 @}
5539 @end example
5540
5541 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5542 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5543 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5544
5545
5546 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5547 @c    node-name, next, previous, up
5548 @section Series expansion
5549 @cindex @code{series()}
5550 @cindex Taylor expansion
5551 @cindex Laurent expansion
5552 @cindex @code{pseries} (class)
5553 @cindex @code{Order()}
5554
5555 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5556 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5557 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5558 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5559 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5560 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5561 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5562 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5563 term).  A sample application from special relativity could read:
5564
5565 @example
5566 #include <ginac/ginac.h>
5567 using namespace std;
5568 using namespace GiNaC;
5569
5570 int main()
5571 @{
5572     symbol v("v"), c("c");
5573     
5574     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5575     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5576     
5577     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5578          << mass_nonrel << endl;
5579     
5580     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5581          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5582 @}
5583 @end example
5584
5585 Only calling the series method makes the last output simplify to
5586 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5587 series raised to the power @math{-2}.
5588
5589 @cindex Machin's formula
5590 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5591 value of Archimedes' constant
5592 @tex
5593 $\pi$
5594 @end tex
5595 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5596 using John Machin's amazing formula
5597 @tex
5598 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5599 @end tex
5600 @ifnottex
5601 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5602 @end ifnottex
5603 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5604 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5605 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5606 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5607 order term with it and the question arises what the system is supposed
5608 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5609 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5610 term off:
5611
5612 @example
5613 #include <ginac/ginac.h>
5614 using namespace GiNaC;
5615
5616 ex machin_pi(int degr)
5617 @{
5618     symbol x;
5619     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5620     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5621                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5622     return pi_approx;
5623 @}
5624
5625 int main()
5626 @{
5627     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5628     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5629     ex pi_frac;
5630     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5631         pi_frac = machin_pi(i);
5632         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5633              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5634     @}
5635     return 0;
5636 @}
5637 @end example
5638
5639 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5640 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5641 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5642 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5643 program, it will type out:
5644
5645 @example
5646 2:      3804/1195
5647         3.1832635983263598326
5648 4:      5359397032/1706489875
5649         3.1405970293260603143
5650 6:      38279241713339684/12184551018734375
5651         3.141621029325034425
5652 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5653         3.141591772182177295
5654 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5655         3.1415926824043995174
5656 @end example
5657
5658
5659 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5660 @c    node-name, next, previous, up
5661 @section Symmetrization
5662 @cindex @code{symmetrize()}
5663 @cindex @code{antisymmetrize()}
5664 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5665
5666 The three methods
5667
5668 @example
5669 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5670 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5671 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5672 @end example
5673
5674 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5675 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5676 weighted by the number of permutations.
5677
5678 The three additional methods
5679
5680 @example
5681 ex ex::symmetrize();
5682 ex ex::antisymmetrize();
5683 ex ex::symmetrize_cyclic();
5684 @end example
5685
5686 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5687
5688 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5689 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5690
5691 @example
5692 @{
5693     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5694     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5695                                            
5696     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5697      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5698     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5699      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5700     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5701      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5702 @}
5703 @end example
5704
5705 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5706 @c    node-name, next, previous, up
5707 @section Predefined mathematical functions
5708 @c
5709 @subsection Overview
5710
5711 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5712
5713 @cartouche
5714 @multitable @columnfractions .30 .70
5715 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5716 @item @code{abs(x)}
5717 @tab absolute value
5718 @cindex @code{abs()}
5719 @item @code{step(x)}
5720 @tab step function
5721 @cindex @code{step()}
5722 @item @code{csgn(x)}
5723 @tab complex sign
5724 @cindex @code{conjugate()}
5725 @item @code{conjugate(x)}
5726 @tab complex conjugation
5727 @cindex @code{conjugate()}
5728 @item @code{sqrt(x)}
5729 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5730 @cindex @code{sqrt()}
5731 @item @code{sin(x)}
5732 @tab sine
5733 @cindex @code{sin()}
5734 @item @code{cos(x)}
5735 @tab cosine
5736 @cindex @code{cos()}
5737 @item @code{tan(x)}
5738 @tab tangent
5739 @cindex @code{tan()}
5740 @item @code{asin(x)}
5741 @tab inverse sine
5742 @cindex @code{asin()}
5743 @item @code{acos(x)}
5744 @tab inverse cosine
5745 @cindex @code{acos()}
5746 @item @code{atan(x)}
5747 @tab inverse tangent
5748 @cindex @code{atan()}
5749 @item @code{atan2(y, x)}
5750 @tab inverse tangent with two arguments
5751 @item @code{sinh(x)}
5752 @tab hyperbolic sine
5753 @cindex @code{sinh()}
5754 @item @code{cosh(x)}
5755 @tab hyperbolic cosine
5756 @cindex @code{cosh()}
5757 @item @code{tanh(x)}
5758 @tab hyperbolic tangent
5759 @cindex @code{tanh()}
5760 @item @code{asinh(x)}
5761 @tab inverse hyperbolic sine
5762 @cindex @code{asinh()}
5763 @item @code{acosh(x)}
5764 @tab inverse hyperbolic cosine
5765 @cindex @code{acosh()}
5766 @item @code{atanh(x)}
5767 @tab inverse hyperbolic tangent
5768 @cindex @code{atanh()}
5769 @item @code{exp(x)}
5770 @tab exponential function
5771 @cindex @code{exp()}
5772 @item @code{log(x)}
5773 @tab natural logarithm
5774 @cindex @code{log()}
5775 @item @code{Li2(x)}
5776 @tab dilogarithm
5777 @cindex @code{Li2()}
5778 @item @code{Li(m, x)}
5779 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5780 @cindex @code{Li()}
5781 @item @code{G(a, y)}
5782 @tab multiple polylogarithm
5783 @cindex @code{G()}
5784 @item @code{G(a, s, y)}
5785 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5786 @cindex @code{G()}
5787 @item @code{S(n, p, x)}
5788 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5789 @cindex @code{S()}
5790 @item @code{H(m, x)}
5791 @tab harmonic polylogarithm
5792 @cindex @code{H()}
5793 @item @code{zeta(m)}
5794 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5795 @cindex @code{zeta()}
5796 @item @code{zeta(m, s)}
5797 @tab alternating Euler sum
5798 @cindex @code{zeta()}
5799 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5800 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5801 @item @code{tgamma(x)}
5802 @tab gamma function
5803 @cindex @code{tgamma()}
5804 @cindex gamma function
5805 @item @code{lgamma(x)}
5806 @tab logarithm of gamma function
5807 @cindex @code{lgamma()}
5808 @item @code{beta(x, y)}
5809 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5810 @cindex @code{beta()}
5811 @item @code{psi(x)}
5812 @tab psi (digamma) function
5813 @cindex @code{psi()}
5814 @item @code{psi(n, x)}
5815 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5816 @item @code{factorial(n)}
5817 @tab factorial function @math{n!}
5818 @cindex @code{factorial()}
5819 @item @code{binomial(n, k)}
5820 @tab binomial coefficients
5821 @cindex @code{binomial()}
5822 @item @code{Order(x)}
5823 @tab order term function in truncated power series
5824 @cindex @code{Order()}
5825 @end multitable
5826 @end cartouche
5827
5828 @cindex branch cut
5829 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5830 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5831 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5832 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5833 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5834 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5835 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5836 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5837 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5838 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5839 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5840 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5841 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5842 compatible with C99.
5843
5844 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5845 @c    node-name, next, previous, up
5846 @subsection Multiple polylogarithms
5847
5848 @cindex polylogarithm
5849 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5850 @cindex harmonic polylogarithm
5851 @cindex multiple zeta value
5852 @cindex alternating Euler sum
5853 @cindex multiple polylogarithm
5854
5855 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5856 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5857 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5858 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5859 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5860 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5861 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5862 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5863 notations are more natural to the series representation or the integral
5864 representation, respectively.
5865
5866 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5867 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5868 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5869
5870 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5871 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5872 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5873 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5874 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5875 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5876 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5877 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5878 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5879 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5880 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5881
5882 The functions print in LaTeX format as
5883 @tex
5884 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5885 @end tex
5886 @tex
5887 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5888 @end tex
5889 @tex
5890 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5891 @end tex
5892 @tex
5893 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5894 @end tex
5895 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5896 are printed with a line above, e.g.
5897 @tex
5898 $\zeta(5,\overline{2})$.
5899 @end tex
5900 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5901
5902 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5903 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5904 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5905 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5906
5907 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5908 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5909 the series representation. This means
5910 @tex
5911 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5912 @end tex
5913 @tex
5914 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5915 @end tex
5916 @tex
5917 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5918 @end tex
5919 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5920 is reversed.
5921
5922 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5923 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5924 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5925 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5926 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5927 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5928 @tex
5929 $\zeta(\overline{3},4)$
5930 @end tex
5931 and
5932 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5933 @tex
5934 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5935 @end tex
5936 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5937 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5938 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5939 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5940 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5941 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5942 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5943
5944 @example
5945 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5946 S(2,2,x)
5947 > H(@{-3,2@},1);
5948 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5949 > S(3,1,1);
5950 1/90*Pi^4
5951 @end example
5952
5953 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5954 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5955 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5956 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5957 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5958 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5959
5960 @example
5961 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5962 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5963 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5964 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5965 @end example
5966
5967 Every function can be numerically evaluated for
5968 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5969 global variable @code{Digits}:
5970
5971 @example
5972 > Digits=100;
5973 100
5974 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5975 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5976 @end example
5977
5978 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5979 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5980
5981 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5982 unevaluated, e.g.
5983 @tex
5984 $\zeta(1)$.
5985 @end tex
5986 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5987 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5988 cancellations of divergencies happen.
5989
5990 Useful publications:
5991
5992 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5993 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5994
5995 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5996 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5997
5998 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5999 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6000
6001 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6002 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6003
6004 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
6005 @c    node-name, next, previous, up
6006 @section Complex conjugation
6007 @c
6008 @cindex @code{conjugate()}
6009
6010 The method
6011
6012 @example
6013 ex ex::conjugate();
6014 @end example
6015
6016 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
6017 conjugation gives the expected results:
6018
6019 @example
6020 @{
6021     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6022     symbol x("x");
6023     realsymbol y("y");
6024                                            
6025     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6026      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6027     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6028      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6029 @}
6030 @end example
6031
6032 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
6033 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
6034 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
6035 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
6036 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
6037
6038 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
6039 @c    node-name, next, previous, up
6040 @section Solving linear systems of equations
6041 @cindex @code{lsolve()}
6042
6043 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6044 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6045 needs to be solved:
6046
6047 @example
6048 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6049           unsigned options = solve_algo::automatic);
6050 @end example
6051
6052 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6053 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6054 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
6055 @code{lst}).
6056
6057 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6058 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6059
6060 @example
6061 @{
6062     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6063     lst eqns, vars;
6064     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6065     vars = x, y;
6066     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6067      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6068 @end example
6069
6070 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6071 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6072 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6073 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6074 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6075 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6076 around that method.
6077
6078
6079 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6080 @c    node-name, next, previous, up
6081 @section Input and output of expressions
6082 @cindex I/O
6083
6084 @subsection Expression output
6085 @cindex printing
6086 @cindex output of expressions
6087
6088 Expressions can simply be written to any stream:
6089
6090 @example
6091 @{
6092     symbol x("x");
6093     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6094     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6095     // ...
6096 @end example
6097
6098 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6099 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6100 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6101 is printed as @samp{x^2}).
6102
6103 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6104 a set of stream manipulators;
6105
6106 @example
6107 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6108 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6109 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6110 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6111 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6112 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6113 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6114 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6115 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6116 @end example
6117
6118 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6119 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6120 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6121
6122 @cindex @code{dflt}
6123 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6124 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6125
6126 @example
6127     // ...
6128     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6129                               // now on
6130     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6131     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6132     cout << dflt;             // revert to default output format
6133     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6134     // ...
6135 @end example
6136
6137 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6138 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6139
6140 @example
6141     // ...
6142     ostringstream s;
6143     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6144     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6145     // ...
6146 @end example
6147
6148 @cindex @code{csrc}
6149 @cindex @code{csrc_float}
6150 @cindex @code{csrc_double}
6151 @cindex @code{csrc_cl_N}
6152 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6153 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6154 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6155 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6156 classes provided by the CLN library):
6157
6158 @example
6159     // ...
6160     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6161     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6162     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6163     // ...
6164 @end example
6165
6166 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6167 @code{x*x}):
6168
6169 @example
6170 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6171 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6172 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6173 @end example
6174
6175 @cindex @code{tree}
6176 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6177 expression for debugging purposes:
6178
6179 @example
6180     // ...
6181     cout << tree << e;
6182 @}
6183 @end example
6184
6185 produces
6186
6187 @example
6188 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6189     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6190         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6191         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6192     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6193     -----
6194     overall_coeff
6195     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6196     =====
6197 @end example
6198
6199 @cindex @code{latex}
6200 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6201 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6202 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6203 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6204 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6205 constructor.
6206
6207 For example, the code snippet
6208
6209 @example
6210 @{
6211     symbol x("x", "\\circ");
6212     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6213     cout << latex << e << endl;
6214 @}
6215 @end example
6216
6217 will print
6218
6219 @example
6220     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6221     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6222 @end example
6223
6224 @cindex @code{index_dimensions}
6225 @cindex @code{no_index_dimensions}
6226 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6227 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6228 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6229 formats:
6230
6231 @example
6232 @{
6233     symbol x("x"), y("y");
6234     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6235     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6236
6237     cout << e << endl;
6238      // prints 'x~mu*y~nu'
6239     cout << index_dimensions << e << endl;
6240      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6241     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6242      // prints 'x~mu*y~nu'
6243 @}
6244 @end example
6245
6246
6247 @cindex Tree traversal
6248 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6249 with other algebra systems or for producing code for different
6250 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6251
6252 @example
6253 static void my_print(const ex & e)
6254 @{
6255     if (is_a<function>(e))
6256         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6257     else
6258         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6259     cout << "(";
6260     size_t n = e.nops();
6261     if (n)
6262         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6263             my_print(e.op(i));
6264             if (i != n-1)
6265                 cout << ",";
6266         @}
6267     else
6268         cout << e;
6269     cout << ")";
6270 @}
6271
6272 int main()
6273 @{
6274     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6275     return 0;
6276 @}
6277 @end example
6278
6279 This will produce
6280
6281 @example
6282 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6283 symbol(y))),numeric(-2)))
6284 @end example
6285
6286 If you need an output format that makes it possible to accurately
6287 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6288 object factory, you should consider storing the expression in an
6289 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6290 See the section on archiving for more information.
6291
6292
6293 @subsection Expression input
6294 @cindex input of expressions
6295
6296 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6297 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6298 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6299 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6300 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6301
6302 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6303 list of symbols to be used:
6304
6305 @example
6306 @{
6307     symbol x("x"), y("y");
6308     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6309 @}
6310 @end example
6311
6312 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6313 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6314 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6315 the list it will throw an exception.
6316
6317 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6318
6319 @example
6320 #include <iostream>
6321 #include <string>
6322 #include <stdexcept>
6323 #include <ginac/ginac.h>
6324 using namespace std;
6325 using namespace GiNaC;
6326
6327 int main()
6328 @{
6329     symbol x("x");
6330     string s;
6331
6332     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6333     getline(cin, s);
6334
6335     try @{
6336         ex e(s, lst(x));
6337         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6338         cout << e.diff(x) << ".\n";
6339     @} catch (exception &p) @{
6340         cerr << p.what() << endl;
6341     @}
6342 @}
6343 @end example
6344
6345
6346 @subsection Archiving
6347 @cindex @code{archive} (class)
6348 @cindex archiving
6349
6350 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6351 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6352 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6353 expression a unique name:
6354
6355 @example
6356 #include <fstream>
6357 using namespace std;
6358 #include <ginac/ginac.h>
6359 using namespace GiNaC;
6360
6361 int main()
6362 @{
6363     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6364
6365     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6366     ex bar = foo + 1;
6367
6368     archive a;
6369     a.archive_ex(foo, "foo");
6370     a.archive_ex(bar, "the second one");
6371     // ...
6372 @end example
6373
6374 The archive can then be written to a file:
6375
6376 @example
6377     // ...
6378     ofstream out("foobar.gar");
6379     out << a;
6380     out.close();
6381     // ...
6382 @end example
6383
6384 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6385 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6386
6387 @cindex @command{viewgar}
6388 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6389 the contents of GiNaC archive files:
6390
6391 @example
6392 $ viewgar foobar.gar
6393 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6394 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6395 @end example
6396
6397 The point of writing archive files is of course that they can later be
6398 read in again:
6399
6400 @example
6401     // ...
6402     archive a2;
6403     ifstream in("foobar.gar");
6404     in >> a2;
6405     // ...
6406 @end example
6407
6408 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6409
6410 @example
6411     // ...
6412     lst syms;
6413     syms = x, y;
6414
6415     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6416     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6417
6418     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6419     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6420     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6421 @}
6422 @end example
6423
6424 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6425 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6426 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6427 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6428 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6429 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6430 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6431 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6432
6433 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6434 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6435 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6436 functions that let you access the stored properties:
6437
6438 @example
6439 static void my_print2(const archive_node & n)
6440 @{
6441     string class_name;
6442     n.find_string("class", class_name);
6443     cout << class_name << "(";
6444
6445     archive_node::propinfovector p;
6446     n.get_properties(p);
6447
6448     size_t num = p.size();
6449     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6450         const string &name = p[i].name;
6451         if (name == "class")
6452             continue;
6453         cout << name << "=";
6454
6455         unsigned count = p[i].count;
6456         if (count > 1)
6457             cout << "@{";
6458
6459         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6460             switch (p[i].type) @{
6461                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6462                     bool x;
6463                     n.find_bool(name, x, j);
6464                     cout << (x ? "true" : "false");
6465                     break;
6466                 @}
6467                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6468                     unsigned x;
6469                     n.find_unsigned(name, x, j);
6470                     cout << x;
6471                     break;
6472                 @}
6473                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6474                     string x;
6475                     n.find_string(name, x, j);
6476                     cout << '\"' << x << '\"';
6477                     break;
6478                 @}
6479                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6480                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6481                     my_print2(x);
6482                     break;
6483                 @}
6484             @}
6485
6486             if (j != count-1)
6487                 cout << ",";
6488         @}
6489
6490         if (count > 1)
6491             cout << "@}";
6492
6493         if (i != num-1)
6494             cout << ",";
6495     @}
6496
6497     cout << ")";
6498 @}
6499
6500 int main()
6501 @{
6502     ex e = pow(2, x) - y;
6503     archive ar(e, "e");
6504     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6505     return 0;
6506 @}
6507 @end example
6508
6509 This will produce:
6510
6511 @example
6512 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6513 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6514 overall_coeff=numeric(number="0"))
6515 @end example
6516
6517 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6518 class may change between GiNaC versions.
6519
6520
6521 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6522 @c    node-name, next, previous, up
6523 @chapter Extending GiNaC
6524
6525 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6526 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6527 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6528 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6529 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6530 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6531
6532 @menu
6533 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6534 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6535 * Printing::                         Adding new output formats.
6536 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6537 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6538 @end menu
6539
6540
6541 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6542 @c    node-name, next, previous, up
6543 @section What doesn't belong into GiNaC
6544
6545 @cindex @command{ginsh}
6546 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6547 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6548 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6549 language.  There are no loops or conditional expressions in
6550 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6551 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6552 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6553 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6554 the future.
6555
6556 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6557 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6558 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6559 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6560 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6561 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6562 provided by CLN are much better suited.
6563
6564
6565 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6566 @c    node-name, next, previous, up
6567 @section Symbolic functions
6568
6569 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6570 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6571 two preprocessor macros:
6572
6573 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6574 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6575 @example
6576 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6577 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6578 @end example
6579
6580 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6581 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6582 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6583 @code{function} object that represents your function.
6584
6585 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6586 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6587 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6588 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6589 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6590 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6591 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6592 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6593
6594 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6595 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6596 done our best to avoid macros where we can.)
6597
6598 @subsection A minimal example
6599
6600 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6601 that is not further evaluated:
6602
6603 @example
6604 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6605
6606 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6607 @end example
6608
6609 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6610 in algebraic expressions:
6611
6612 @example
6613 @{
6614     ...
6615     symbol x("x");
6616     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6617     cout << e << endl;
6618      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6619     ...
6620 @}
6621 @end example
6622
6623 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6624 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6625 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6626 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6627
6628 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6629 example of how to make an "intelligent" function.
6630
6631 @subsection The cosine function
6632
6633 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6634
6635 @example
6636 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6637 @end example
6638
6639 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6640 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6641 this function in expressions.
6642
6643 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6644 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6645
6646 @example
6647 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6648                        evalf_func(cos_evalf).
6649                        derivative_func(cos_deriv).
6650                        latex_name("\\cos"));
6651 @end example
6652
6653 There are four options defined for the cosine function. One of them
6654 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6655 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6656 function are defined.
6657
6658 @cindex @code{hold()}
6659 @cindex evaluation
6660 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6661 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6662 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6663 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6664 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6665 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6666 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6667 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6668 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6669 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6670 somewhere.
6671
6672 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6673 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6674 what is going on):
6675
6676 @example
6677 static ex cos_eval(const ex & x)
6678 @{
6679     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6680         return 1;
6681     else if ("x is a multiple of Pi")
6682         return -1;
6683     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6684         return 0;
6685     // more rules...
6686
6687     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6688         return y;
6689     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6690         return sqrt(1-y^2);
6691     // more rules...
6692
6693     else
6694         return cos(x).hold();
6695 @}
6696 @end example
6697
6698 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6699
6700 @example
6701 @{
6702     ...
6703     e = cos(Pi);
6704      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6705      // the actual expression
6706     cout << e << endl;
6707      // prints '-1'
6708     ...
6709 @}
6710 @end example
6711
6712 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6713 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6714 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6715 with @code{.hold()}.
6716
6717 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6718 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6719 different function:
6720
6721 @example
6722 static ex cos_evalf(const ex & x)
6723 @{
6724     if (is_a<numeric>(x))
6725         return cos(ex_to<numeric>(x));
6726     else
6727         return cos(x).hold();
6728 @}
6729 @end example
6730
6731 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6732 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6733 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6734 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6735 function would require it in this place.
6736
6737 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6738 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6739 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6740 @code{ex::diff}):
6741
6742 @example
6743 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6744 @{
6745     return -sin(x);
6746 @}
6747 @end example
6748
6749 @cindex product rule
6750 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6751 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6752 case the function has more than one parameter, and its main application
6753 is for correct handling of the chain rule.
6754
6755 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6756 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6757 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6758 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6759
6760 @example
6761 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6762                      int order, unsigned options)
6763 @{
6764     // Find the actual expansion point
6765     const ex x_pt = x.subs(rel);
6766
6767     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6768         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6769
6770     // On a pole, expand sin()/cos()
6771     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6772 @}
6773 @end example
6774
6775 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6776 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6777
6778 @subsection Function options
6779
6780 GiNaC functions understand several more options which are always
6781 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6782 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6783 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6784 functions without any special options.
6785
6786 @example
6787 eval_func(<C++ function>)
6788 evalf_func(<C++ function>)
6789 derivative_func(<C++ function>)
6790 series_func(<C++ function>)
6791 conjugate_func(<C++ function>)
6792 @end example
6793
6794 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6795 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6796 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6797 @code{diff()} and @code{series()}.
6798
6799 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6800 automatic evaluation is desired or possible.
6801
6802 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6803 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6804 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6805 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6806 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6807 suitable transformation.
6808
6809 @example
6810 latex_name(const string & n)
6811 @end example
6812
6813 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6814 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6815
6816 @example
6817 do_not_evalf_params()
6818 @end example
6819
6820 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6821 function before calling the @code{evalf_func()}.
6822
6823 @example
6824 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6825 @end example
6826
6827 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6828 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6829 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6830 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6831 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6832 commutation properties of their first argument.
6833
6834 @example
6835 set_symmetry(const symmetry & s)
6836 @end example
6837
6838 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6839 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6840 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6841 symmetric functions into a canonical order.
6842
6843 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6844 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6845 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6846 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6847 with the
6848
6849 @example
6850 print_func<C>(<C++ function>)
6851 @end example
6852
6853 option which is explained in the next section.
6854
6855 @subsection Functions with a variable number of arguments
6856
6857 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6858 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6859 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6860 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6861 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6862
6863 It is also possible to define functions that accept a different number of
6864 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6865 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6866 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6867 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6868 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6869 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6870 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6871 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6872
6873
6874 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6875 @c    node-name, next, previous, up
6876 @section GiNaC's expression output system
6877
6878 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6879 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6880 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6881 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6882 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6883 functions.
6884
6885 @cindex @code{print_context} (class)
6886 @cindex @code{print_dflt} (class)
6887 @cindex @code{print_latex} (class)
6888 @cindex @code{print_tree} (class)
6889 @cindex @code{print_csrc} (class)
6890 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6891 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6892 header file:
6893
6894 @table @code
6895 @item print_dflt
6896 the default output format
6897 @item print_latex
6898 output in LaTeX mathematical mode
6899 @item print_tree
6900 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6901 @item print_csrc
6902 the base class for C source output
6903 @item print_csrc_float
6904 C source output using the @code{float} type
6905 @item print_csrc_double
6906 C source output using the @code{double} type
6907 @item print_csrc_cl_N
6908 C source output using CLN types
6909 @end table
6910
6911 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6912
6913 @example
6914 class print_context
6915 @{
6916     ...
6917 public:
6918     std::ostream & s;
6919     unsigned options;
6920 @};
6921 @end example
6922
6923 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6924 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6925 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6926 to print the index dimension which is normally hidden.
6927
6928 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6929 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6930 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6931 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6932
6933 @cindex @code{print()}
6934 @example
6935 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6936 @end example
6937
6938 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6939 top-level algebraic object contained in the expression.
6940
6941 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6942 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6943 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6944 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6945 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6946 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6947 (single) virtual function dispatch.
6948
6949 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6950 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6951 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6952 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6953 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6954 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6955 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6956 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6957 object's class name enclosed in square brackets).
6958
6959 You can think of the print methods of all the different classes and output
6960 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6961 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6962 classes.
6963
6964 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6965 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6966 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6967 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6968 methods at run-time).
6969
6970 @subsection Print methods for classes
6971
6972 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6973 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6974 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6975 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6976 can also be used to override existing methods dynamically.
6977
6978 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6979 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6980 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6981 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6982 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6983 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6984 the class is the one being implemented by
6985 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6986
6987 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6988 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6989 @code{unsigned}.
6990
6991 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6992 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6993 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6994 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6995 private and protected members of @code{T}.
6996
6997 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6998 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6999 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7000 purposes if you write your own output formats.
7001
7002 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7003 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7004 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7005 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7006
7007 @example
7008 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7009                              const print_latex & c,
7010                              unsigned level)
7011 @{
7012     // get the precedence of the 'power' class
7013     unsigned power_prec = p.precedence();
7014
7015     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7016     // we need parentheses around the power
7017     if (level >= power_prec)
7018         c.s << '(';
7019
7020     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7021     // separated by an uparrow
7022     c.s << '@{';
7023     p.op(0).print(c, power_prec);
7024     c.s << "@}\\uparrow@{";
7025     p.op(1).print(c, power_prec);
7026     c.s << '@}';
7027
7028     // don't forget the closing parenthesis
7029     if (level >= power_prec)
7030         c.s << ')';
7031 @}
7032                                                                                 
7033 int main()
7034 @{
7035     // a sample expression
7036     symbol x("x"), y("y");
7037     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7038
7039     // switch to LaTeX mode
7040     cout << latex;
7041
7042     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7043     cout << e << endl;
7044
7045     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7046     // our own one
7047     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7048
7049     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7050     //              \uparrow@{2@}@}"
7051     cout << e << endl;
7052 @}
7053 @end example
7054
7055 Some notes:
7056
7057 @itemize
7058
7059 @item
7060 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7061 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7062
7063 @item
7064 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7065 @code{power} objects for the purpose of printing.
7066
7067 @item
7068 The output of products including negative powers as fractions is also
7069 controlled by the @code{mul} class.
7070
7071 @item
7072 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7073 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7074
7075 @end itemize
7076
7077 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7078 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7079 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7080 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7081 sources, find the method that is installed at startup
7082 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7083 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7084
7085 @subsection Print methods for functions
7086
7087 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7088 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7089 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7090 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7091 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7092
7093 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7094
7095 @example
7096 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7097 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7098                                                                                 
7099 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7100 @{
7101     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7102 @}
7103                                                                                 
7104 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7105 @{
7106     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7107 @}
7108                                                                                 
7109 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7110                        evalf_func(abs_evalf).
7111                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7112                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7113                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7114 @end example
7115
7116 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7117 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7118
7119 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7120
7121 @subsection Adding new output formats
7122
7123 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7124 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7125 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7126 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7127 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7128 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7129 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7130 options value.
7131
7132 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7133
7134 @example
7135 class print_myformat : public print_dflt
7136 @{
7137     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7138 public:
7139     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7140      : print_dflt(os, opt) @{@}
7141 @};
7142
7143 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7144
7145 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7146 @end example
7147
7148 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7149 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7150 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7151 format are implemented as print methods, as described above.
7152
7153 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7154 exactly like GiNaC's default output format:
7155
7156 @example
7157 @{
7158     symbol x("x");
7159     ex e = pow(x, 2) + 1;
7160
7161     // this prints "1+x^2"
7162     cout << e << endl;
7163     
7164     // this also prints "1+x^2"
7165     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7166
7167     ...
7168 @}
7169 @end example
7170
7171 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7172 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7173
7174 @example
7175 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7176 // example above for explanations.
7177 void print_power_as_myformat(const power & p,
7178                              const print_myformat & c,
7179                              unsigned level)
7180 @{
7181     unsigned power_prec = p.precedence();
7182     if (level >= power_prec)
7183         c.s << '(';
7184     p.op(0).print(c, power_prec);
7185     c.s << "**";
7186     p.op(1).print(c, power_prec);
7187     if (level >= power_prec)
7188         c.s << ')';
7189 @}
7190
7191 @{
7192     ...
7193     // install a new print method for power objects
7194     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7195
7196     // now this prints "1+x**2"
7197     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7198
7199     // but the default format is still "1+x^2"
7200     cout << e << endl;
7201 @}
7202 @end example
7203
7204
7205 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7206 @c    node-name, next, previous, up
7207 @section Structures
7208
7209 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7210 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7211 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7212 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7213 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7214
7215 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7216 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7217 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7218 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7219 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7220 read both sections because many common concepts and member functions are
7221 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7222 is most suited to your needs.
7223
7224 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7225 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7226 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7227
7228 @subsection Example: scalar products
7229
7230 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7231 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7232 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7233 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7234 product in a C++ @code{struct}:
7235
7236 @example
7237 #include <iostream>
7238 using namespace std;
7239
7240 #include <ginac/ginac.h>
7241 using namespace GiNaC;
7242
7243 struct sprod_s @{
7244     ex left, right;
7245
7246     sprod_s() @{@}
7247     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7248 @};
7249 @end example
7250
7251 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7252 data structure, we need only one line:
7253
7254 @example
7255 typedef structure<sprod_s> sprod;
7256 @end example
7257
7258 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7259 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7260 expressions like any other GiNaC class:
7261
7262 @example
7263 ...
7264     symbol a("a"), b("b");
7265     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7266 ...
7267 @end example
7268
7269 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7270 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7271 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7272 constructed from an @code{sprod_s} object.
7273
7274 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7275 you could define a little wrapper function like this:
7276
7277 @example
7278 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7279 @{
7280     return sprod(sprod_s(left, right));
7281 @}
7282 @end example
7283
7284 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7285 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7286 @code{get_struct()}:
7287
7288 @example
7289 ...
7290     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7291      // -> a
7292     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7293      // -> b
7294 ...
7295 @end example
7296
7297 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7298
7299 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7300 that deal with scalar products, for example:
7301
7302 @example
7303 ex swap_sprod(ex p)
7304 @{
7305     if (is_a<sprod>(p)) @{
7306         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7307         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7308     @} else
7309         return p;
7310 @}
7311
7312 ...
7313     f = swap_sprod(e);
7314      // f is now <b|a>
7315 ...
7316 @end example
7317
7318 @subsection Structure output
7319
7320 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7321 desired, most notably proper output:
7322
7323 @example
7324 ...
7325     cout << e << endl;
7326      // -> [structure object]
7327 ...
7328 @end example
7329
7330 By default, any structure types you define will be printed as
7331 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7332 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7333 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7334 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7335 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7336 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7337
7338 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7339 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7340
7341 @example
7342 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7343 @{
7344     // tree debug output handled by superclass
7345     if (is_a<print_tree>(c))
7346         inherited::print(c, level);
7347
7348     // get the contained sprod_s object
7349     const sprod_s & sp = get_struct();
7350
7351     // print_context::s is a reference to an ostream
7352     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7353 @}
7354 @end example
7355
7356 Now we can print expressions containing scalar products:
7357
7358 @example
7359 ...
7360     cout << e << endl;
7361      // -> <a|b>
7362     cout << swap_sprod(e) << endl;
7363      // -> <b|a>
7364 ...
7365 @end example
7366
7367 @subsection Comparing structures
7368
7369 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7370 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7371 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7372 and undesired behavior:
7373
7374 @example
7375 ...
7376     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7377      // -> 0
7378     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7379      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7380 ...
7381 @end example
7382
7383 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7384 for objects of type @code{sprod_s}:
7385
7386 @example
7387 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7388 @{
7389     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7390 @}
7391
7392 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7393 @{
7394     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7395            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7396 @}
7397 @end example
7398
7399 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7400 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7401 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7402 in the implementation of these operators because they would construct
7403 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7404 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7405 decide which one is algebraically 'less').
7406
7407 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7408 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7409
7410 @example
7411 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7412 @end example
7413
7414 @code{sprod} objects then behave as expected:
7415
7416 @example
7417 ...
7418     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7419      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7420     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7421      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7422     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7423      // -> 0
7424     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7425      // -> 2*<a|b>
7426 ...
7427 @end example
7428
7429 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7430 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7431 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7432 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7433 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7434 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7435
7436 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7437 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7438 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7439 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7440 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7441 undefined value) that the @code{T} class might have.
7442
7443 @subsection Subexpressions
7444
7445 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7446 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7447 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7448
7449 @example
7450 size_t sprod::nops() const
7451 @{
7452     return 2;
7453 @}
7454
7455 ex sprod::op(size_t i) const
7456 @{
7457     switch (i) @{
7458     case 0:
7459         return get_struct().left;
7460     case 1:
7461         return get_struct().right;
7462     default:
7463         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7464     @}
7465 @}
7466 @end example
7467
7468 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7469 @code{sprod} has two other nice side effects:
7470
7471 @itemize @bullet
7472 @item
7473 @code{has()} works as expected
7474 @item
7475 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7476 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7477 @end itemize
7478
7479 @cindex @code{let_op()}
7480 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7481 allows replacing subexpressions:
7482
7483 @example
7484 ex & sprod::let_op(size_t i)
7485 @{
7486     // every non-const member function must call this
7487     ensure_if_modifiable();
7488
7489     switch (i) @{
7490     case 0:
7491         return get_struct().left;
7492     case 1:
7493         return get_struct().right;
7494     default:
7495         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7496     @}
7497 @}
7498 @end example
7499
7500 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7501 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7502 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7503 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7504
7505 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7506 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7507 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7508 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7509 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7510 This is left as an exercise for the reader.
7511
7512 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7513 you can override by specialization to customize the behavior of your
7514 structures. You are referred to the next section for a description of
7515 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7516 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7517 @code{structure<T>} template: archiving.
7518
7519 @subsection Archiving structures
7520
7521 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7522 should first read the next section and then come back here. You're back?
7523 Good.
7524
7525 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7526 specializations for the @code{archive()} member function and the
7527 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7528 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7529 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7530 the class of an object is stored as a string, the class name.
7531
7532 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7533 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7534 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7535 need to provide a different name for each by specializing the
7536 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7537 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7538
7539 @example
7540 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7541
7542 void sprod::archive(archive_node & n) const
7543 @{
7544     inherited::archive(n);
7545     n.add_ex("left", get_struct().left);
7546     n.add_ex("right", get_struct().right);
7547 @}
7548
7549 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7550 @{
7551     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7552     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7553 @}
7554 @end example
7555
7556 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7557 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7558 @code{sprod::unarchive()} function.
7559
7560
7561 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7562 @c    node-name, next, previous, up
7563 @section Adding classes
7564
7565 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7566 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7567 severe of which being that you can't add any new member functions to
7568 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7569 from scratch.
7570
7571 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7572 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7573 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7574 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7575 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7576 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7577 representing tensor products is more involved but this section should give
7578 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7579 classes if you want to implement something more complicated.
7580
7581 @subsection GiNaC's run-time type information system
7582
7583 @cindex hierarchy of classes
7584 @cindex RTTI
7585 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7586 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7587 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7588 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7589 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7590 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7591 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7592 system that provides this kind of information is called a run-time type
7593 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7594 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7595 implements its own, simpler RTTI.
7596
7597 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7598
7599 @itemize @bullet
7600
7601 @item
7602 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7603 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7604 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7605 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7606
7607 @item
7608 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7609 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7610 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7611 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7612 @file{registrar.h} header file.
7613
7614 @end itemize
7615
7616 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7617 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7618 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7619 macros.
7620
7621 @subsection A minimalistic example
7622
7623 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7624 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7625 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7626 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7627 for your own classes.
7628
7629 The code snippets given here assume that you have included some header files
7630 as follows:
7631
7632 @example
7633 #include <iostream>
7634 #include <string>   
7635 #include <stdexcept>
7636 using namespace std;
7637
7638 #include <ginac/ginac.h>
7639 using namespace GiNaC;
7640 @end example
7641
7642 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7643 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7644 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7645 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7646 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7647 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7648
7649 @example
7650 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7651 @end example
7652
7653 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7654 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7655 object from a C or C++ string:
7656
7657 @example
7658 class mystring : public basic
7659 @{
7660     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7661   
7662 public:
7663     mystring(const string &s);
7664     mystring(const char *s);
7665
7666 private:
7667     string str;
7668 @};
7669
7670 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7671 @end example
7672
7673 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7674 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7675 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7676 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7677 the first line after the opening brace of the class definition. The
7678 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7679 source (at global scope, of course, not inside a function).
7680
7681 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7682 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7683 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7684 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7685 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7686 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7687 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7688 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7689
7690 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7691 class:
7692
7693 @itemize
7694
7695 @item
7696 @code{mystring()}, the default constructor.
7697
7698 @item
7699 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7700 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7701 @code{archive_node}.
7702
7703 @item
7704 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7705 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7706 found in an @code{archive_node}.
7707
7708 @item
7709 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7710 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7711 constructor.
7712
7713 @item
7714 @cindex @code{compare_same_type()}
7715 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7716 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7717 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7718 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7719 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7720 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7721 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7722 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7723 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7724 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7725 defined.
7726
7727 @item
7728 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7729 which are the two constructors we declared.
7730
7731 @end itemize
7732
7733 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7734
7735 @example
7736 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7737 @end example
7738
7739 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7740 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7741 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7742 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7743 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7744 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7745 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7746 to the right value manually.
7747
7748 In the default constructor you should set all other member variables to
7749 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7750 member gets set to an empty string automatically).
7751
7752 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7753 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7754 is really simple.  First, the archiving function:
7755
7756 @example
7757 void mystring::archive(archive_node &n) const
7758 @{
7759     inherited::archive(n);
7760     n.add_string("string", str);
7761 @}
7762 @end example
7763
7764 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7765 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7766 deem necessary for representing the object into the passed
7767 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7768 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7769 file.
7770
7771 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7772 function:
7773
7774 @example
7775 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7776 @{
7777     n.find_string("string", str);
7778 @}
7779 @end example
7780
7781 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7782 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7783 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7784 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7785
7786 Finally, the unarchiving function:
7787
7788 @example
7789 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7790 @{
7791     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7792 @}
7793 @end example
7794
7795 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7796 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7797 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7798 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7799 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7800 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7801 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7802 automatically once it is no longer referenced.
7803
7804 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7805 the string members:
7806
7807 @example
7808 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7809 @{
7810     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7811     int cmpval = str.compare(o.str);
7812     if (cmpval == 0)
7813         return 0;
7814     else if (cmpval < 0)
7815         return -1;
7816     else
7817         return 1;
7818 @}
7819 @end example
7820
7821 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7822 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7823 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7824 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7825 all relevant member variables.
7826
7827 Now the only thing missing is our two new constructors:
7828
7829 @example
7830 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7831 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7832 @end example
7833
7834 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7835 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7836
7837 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7838 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7839
7840 @example
7841 ex e = mystring("Hello, world!");
7842 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7843  // -> 1 (true)
7844
7845 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7846  // -> mystring
7847 @end example
7848
7849 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7850
7851 @example
7852 cout << e << endl;
7853  // -> [mystring object]
7854 @end example
7855
7856 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7857 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7858 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7859 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7860 surrounded by double quotes:
7861
7862 @example
7863 class mystring : public basic
7864 @{
7865     ...
7866 protected:
7867     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7868     ...
7869 @};
7870
7871 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7872 @{
7873     // print_context::s is a reference to an ostream
7874     c.s << '\"' << str << '\"';
7875 @}
7876 @end example
7877
7878 The @code{level} argument is only required for container classes to
7879 correctly parenthesize the output.
7880
7881 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7882 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7883 replace the line
7884
7885 @example
7886 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7887 @end example
7888
7889 with
7890
7891 @example
7892 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7893   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7894 @end example
7895
7896 Let's try again to print the expression:
7897
7898 @example
7899 cout << e << endl;
7900  // -> "Hello, world!"
7901 @end example
7902
7903 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7904 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7905 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7906 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7907 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7908 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7909 way expression output is implemented in GiNaC.
7910
7911 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7912
7913 @example
7914 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7915 cout << e << endl;
7916  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7917 @end example
7918
7919 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7920
7921 @example
7922 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7923 cout << e << endl;
7924  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7925 @end example
7926
7927 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7928 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7929 for your objects.
7930
7931 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7932
7933 @example
7934 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7935 cout << e << endl;
7936  // -> "Wow"^2
7937
7938 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7939 cout << e.expand() << endl;
7940  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7941 @end example
7942
7943 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7944 concatenation. You would have to implement this yourself.
7945
7946 @subsection Automatic evaluation
7947
7948 @cindex evaluation
7949 @cindex @code{eval()}
7950 @cindex @code{hold()}
7951 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7952 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7953 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7954 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7955 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7956 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7957
7958 @example
7959 class mystring : public basic
7960 @{
7961     ...
7962 public:
7963     ex eval(int level = 0) const;
7964     ...
7965 @};
7966
7967 ex mystring::eval(int level) const
7968 @{
7969     string new_str;
7970     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7971         char c = str[i];
7972         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7973             new_str += tolower(c);
7974         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7975             new_str += c;
7976     @}
7977
7978     if (new_str.length() == 0)
7979         return 0;
7980     else
7981         return mystring(new_str).hold();
7982 @}
7983 @end example
7984
7985 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7986 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7987 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7988 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7989 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7990 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7991 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7992 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7993
7994 Let's confirm that it works:
7995
7996 @example
7997 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7998 cout << e << endl;
7999  // -> "helloworld"
8000
8001 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8002 cout << e << endl;
8003  // -> 3*"wow"
8004 @end example
8005
8006 @subsection Optional member functions
8007
8008 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8009 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8010 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8011
8012 @cindex @code{calchash()}
8013 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8014 @example
8015 unsigned calchash() const;
8016 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8017 @end example
8018
8019 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8020 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8021 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8022 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8023 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8024 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8025
8026 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8027 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8028 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8029 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8030
8031 @subsection Other member functions
8032
8033 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8034 might want to provide:
8035
8036 @example
8037 bool info(unsigned inf) const;
8038 ex evalf(int level = 0) const;
8039 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8040 ex derivative(const symbol & s) const;
8041 @end example
8042
8043 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8044 previous section) you will probably want to override
8045
8046 @cindex @code{let_op()}
8047 @example
8048 size_t nops() cont;
8049 ex op(size_t i) const;
8050 ex & let_op(size_t i);
8051 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8052 ex map(map_function & f) const;
8053 @end example
8054
8055 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8056 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8057 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8058
8059 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8060 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8061 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8062 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8063 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8064 should become a need.
8065
8066 That's it. May the source be with you!
8067
8068
8069 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8070 @c    node-name, next, previous, up
8071 @chapter A Comparison With Other CAS
8072 @cindex advocacy
8073
8074 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8075 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8076 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8077 disadvantages over these systems.
8078
8079 @menu
8080 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8081 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8082 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8083 @end menu
8084
8085 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8086 @c    node-name, next, previous, up
8087 @section Advantages
8088
8089 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8090 Algebra Systems, like 
8091
8092 @itemize @bullet
8093
8094 @item
8095 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8096 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8097 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8098 in common C++, which is standardized.
8099
8100 @cindex STL
8101 @item
8102 structured data types: you can build up structured data types using
8103 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8104 using unnamed lists of lists of lists.
8105
8106 @item
8107 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8108 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8109 nice for novice programmers, but dangerous.
8110     
8111 @item
8112 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8113 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8114 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8115
8116 @item
8117 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8118 separating interface and implementation.
8119
8120 @item
8121 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8122 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8123 C++-compilers for free, too.
8124     
8125 @item
8126 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8127 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8128 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8129 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8130 fix bugs in a traditional system.
8131
8132 @item
8133 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8134 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8135 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8136 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8137 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8138 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8139 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8140 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8141 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8142 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8143 FTP-site.
8144
8145 @item
8146 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8147 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8148 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8149 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8150 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8151 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8152 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8153 system (i.e. @emph{Yacas}).
8154
8155 @item
8156 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8157 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8158 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8159 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8160 speed with other CAS.
8161
8162 @end itemize
8163
8164
8165 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8166 @c    node-name, next, previous, up
8167 @section Disadvantages
8168
8169 Of course it also has some disadvantages:
8170
8171 @itemize @bullet
8172
8173 @item
8174 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8175 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8176 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8177 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8178 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8179 not planned for the near future).
8180
8181 @item
8182 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8183 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8184 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8185 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8186 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8187 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8188 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8189 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8190 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8191 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8192 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8193 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8194 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8195 yet ANSI compliant, support all needed features.
8196     
8197 @end itemize
8198
8199
8200 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8201 @c    node-name, next, previous, up
8202 @section Why C++?
8203
8204 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8205 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8206 possible), separation between interface and implementation is not
8207 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8208 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8209 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8210 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8211 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8212 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8213 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8214 any other programming language.
8215
8216
8217 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8218 @c    node-name, next, previous, up
8219 @appendix Internal Structures
8220
8221 @menu
8222 * Expressions are reference counted::
8223 * Internal representation of products and sums::
8224 @end menu
8225
8226 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8227 @c    node-name, next, previous, up
8228 @appendixsection Expressions are reference counted
8229
8230 @cindex reference counting
8231 @cindex copy-on-write
8232 @cindex garbage collection
8233 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8234 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8235 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8236 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8237 skip the rest of this passage.
8238
8239 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8240 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8241 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8242 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8243 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8244 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8245 of code:
8246
8247 @example
8248 #include <iostream>
8249 #include <ginac/ginac.h>
8250 using namespace std;
8251 using namespace GiNaC;
8252
8253 int main()
8254 @{
8255     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8256     ex e1, e2;
8257
8258     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8259     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8260     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8261     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8262     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8263 @}
8264 @end example
8265
8266 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8267 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8268 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8269 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8270 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8271 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8272 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8273 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8274 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8275 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8276 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8277 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8278 can be:
8279
8280 @example
8281 @{
8282     symbol x("x"), y("y");
8283
8284     ex e1 = x + 3*y;
8285     ex e2 = pow(e1, 3);
8286     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8287     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8288          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8289          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8290 @}
8291 @end example
8292
8293 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8294 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8295 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8296 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8297 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8298 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8299 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8300 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8301 @code{3*e1^2}.
8302
8303 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8304 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8305 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8306 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8307 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8308 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8309 semantics, we recommend you have a look at the
8310 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8311 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8312 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8313
8314
8315 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8316 @c    node-name, next, previous, up
8317 @appendixsection Internal representation of products and sums
8318
8319 @cindex representation
8320 @cindex @code{add}
8321 @cindex @code{mul}
8322 @cindex @code{power}
8323 Although it should be completely transparent for the user of
8324 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8325 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8326 unexpanded symbolic expression 
8327 @tex
8328 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8329 @end tex
8330 @ifnottex
8331 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8332 @end ifnottex
8333 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8334 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8335 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8336 fashion:
8337
8338 @image{repnaive}
8339
8340 @cindex pair-wise representation
8341 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8342 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8343 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8344 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8345 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8346 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8347 becomes much more flat:
8348
8349 @image{reppair}
8350
8351 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8352 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8353 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8354 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8355 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8356 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8357 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8358 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8359 representation, however, since they are still carrying a trivial
8360 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8361 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8362 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8363 representation for
8364 @tex
8365 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8366 @end tex
8367 @ifnottex
8368 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8369 @end ifnottex
8370
8371 @image{repreal}
8372
8373 @cindex radical
8374 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8375 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8376 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8377 same abstract class: the data representation is the same, only the
8378 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8379 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8380 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8381
8382
8383 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8384 @c    node-name, next, previous, up
8385 @appendix Package Tools
8386
8387 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8388 setting the correct command line options for the compiler and linker
8389 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8390
8391 @menu
8392 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8393 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8394 @end menu
8395
8396
8397 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8398 @c    node-name, next, previous, up
8399 @section @command{ginac-config}
8400 @cindex ginac-config
8401
8402 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8403 the compiler and linker command line options required to compile and
8404 link a program with the GiNaC library.
8405
8406 @command{ginac-config} takes the following flags:
8407
8408 @table @samp
8409 @item --version
8410 Prints out the version of GiNaC installed.
8411 @item --cppflags
8412 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8413 @item --libs
8414 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8415 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8416 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8417 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8418 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8419 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8420 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8421 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8422 @end table
8423
8424 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8425 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8426 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8427 example:
8428
8429 @example
8430 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8431 @end example
8432
8433 This command line might expand to (for example):
8434
8435 @example
8436 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8437   -lginac -lcln -lstdc++
8438 @end example
8439
8440 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8441 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8442
8443
8444 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8445 @c    node-name, next, previous, up
8446 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8447 @cindex AM_PATH_GINAC
8448
8449 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8450 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8451
8452 @example
8453 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8454               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8455 @end example
8456
8457 This macro:
8458
8459 @itemize @bullet
8460
8461 @item
8462 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8463 either found in the user's path, or from the environment variable
8464 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8465
8466 @item
8467 Tests the installed libraries to make sure that their version
8468 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8469 if not specified)
8470
8471 @item
8472 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8473 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8474 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8475 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8476 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8477
8478 @item
8479 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8480 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8481
8482 @end itemize
8483
8484 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8485 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8486 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8487 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8488 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8489
8490 @menu
8491 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8492 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8493 @end menu
8494
8495
8496 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8497 @c    node-name, next, previous, up
8498 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8499
8500 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8501 the configure script.
8502
8503 Notes:
8504
8505 @itemize @bullet
8506
8507 @item
8508 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8509 to be found by your system's dynamic linker.
8510   
8511 This is generally done by
8512
8513 @display
8514 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8515 @end display
8516
8517 or by
8518    
8519 @display
8520 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8521 @end display
8522
8523 or, as a last resort, 
8524  
8525 @display
8526 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8527 running configure, for instance:
8528
8529 @example
8530 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8531 @end example
8532 @end display
8533
8534 @item
8535 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8536 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8537 name of the executable
8538
8539 @item
8540 If you move the GiNaC package from its installed location,
8541 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8542 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8543
8544 @end itemize
8545
8546 Advanced note:
8547
8548 @itemize @bullet
8549 @item
8550 configure flags
8551   
8552 @example
8553 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8554 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8555 @end example
8556
8557 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8558 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8559 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8560 @end itemize
8561
8562
8563 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8564 @c    node-name, next, previous, up
8565 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8566
8567 The following shows how to build a simple package using automake
8568 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8569
8570 @example
8571 #include <iostream>
8572 #include <ginac/ginac.h>
8573
8574 int main()
8575 @{
8576     GiNaC::symbol x("x");
8577     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8578     std::cout << "Derivative of " << a 
8579               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8580     return 0;
8581 @}
8582 @end example
8583
8584 You should first read the introductory portions of the automake
8585 Manual, if you are not already familiar with it.
8586
8587 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8588 configure script:
8589
8590 @example
8591 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8592 AC_INIT(simple.cpp)
8593 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8594
8595 AC_PROG_CXX
8596 AC_PROG_INSTALL
8597 AC_LANG_CPLUSPLUS
8598
8599 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8600   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8601   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8602 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8603
8604 AC_OUTPUT(Makefile)
8605 @end example
8606
8607 The only command in this which is not standard for automake
8608 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8609
8610 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8611 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8612 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8613 the error message `need to have GiNaC installed'
8614
8615 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8616
8617 @example
8618 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8619 bin_PROGRAMS = simple
8620 simple_SOURCES = simple.cpp
8621 @end example
8622
8623 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8624 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8625 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8626 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8627 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8628 adding the lines:
8629
8630 @example
8631 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8632 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8633 @end example
8634
8635 to the @file{Makefile.am}.
8636
8637 To try this example out, create a new directory and add the three
8638 files above to it.
8639
8640 Now execute the following commands:
8641
8642 @example
8643 $ automake --add-missing
8644 $ aclocal
8645 $ autoconf
8646 @end example
8647
8648 You now have a package that can be built in the normal fashion
8649
8650 @example
8651 $ ./configure
8652 $ make
8653 $ make install
8654 @end example
8655
8656
8657 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8658 @c    node-name, next, previous, up
8659 @appendix Bibliography
8660
8661 @itemize @minus{}
8662
8663 @item
8664 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8665
8666 @item
8667 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8668
8669 @item
8670 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8671
8672 @item
8673 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8674
8675 @item
8676 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8677 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8678
8679 @item
8680 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8681 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8682 Academic Press, London
8683
8684 @item
8685 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8686 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8687
8688 @item
8689 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8690 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8691
8692 @item
8693 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8694 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8695
8696 @item
8697 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8698
8699 @end itemize
8700
8701
8702 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8703 @c    node-name, next, previous, up
8704 @unnumbered Concept Index
8705
8706 @printindex cp
8707
8708 @bye