]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
a767d57cd5fb1c389db5c81d643591631023e1dd
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2011 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2011 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{} 1999-2011 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
488 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
489 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
490 it will refuse to continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval(int level = 0) const;
842 ex basic::eval(int level = 0) const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1150
1151 @cindex @code{subs()}
1152 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1153 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1154 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1155 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1156 (@pxref{Substituting expressions}).
1157
1158 @cindex @code{realsymbol()}
1159 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1160 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1161 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1162 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1163 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1164 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1165 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1166 allows you to specify
1167 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1168 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1169
1170 @cindex @code{possymbol()}
1171 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1172 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1173 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1174
1175
1176 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1177 @c    node-name, next, previous, up
1178 @section Numbers
1179 @cindex @code{numeric} (class)
1180
1181 @cindex GMP
1182 @cindex CLN
1183 @cindex rational
1184 @cindex fraction
1185 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1186 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1187 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1188 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1189 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1190 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1191 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1192 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1193 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1194 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1195 several useful things: First, it introduces the complex number field
1196 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1197 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1198 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1199 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1200 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1201 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1202 calculation of some useful constants.
1203
1204 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1205 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1206 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1207 integers, construction from C-float and construction from a string:
1208
1209 @example
1210 #include <iostream>
1211 #include <ginac/ginac.h>
1212 using namespace GiNaC;
1213
1214 int main()
1215 @{
1216     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1217     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1218     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1219     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1220     // Trott's constant in scientific notation:
1221     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1222     
1223     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1224     ...
1225 @end example
1226
1227 @cindex @code{I}
1228 @cindex complex numbers
1229 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1230 name @code{I}:
1231
1232 @example
1233     ...
1234     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1235     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1236 @}
1237 @end example
1238
1239 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1240 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1241 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1242 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1243 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1244 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1245 also.
1246
1247 @cindex @code{Digits}
1248 @cindex accuracy
1249 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1250 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1251 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1252 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1253 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1254 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1255 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1256 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1257 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1258 digits:
1259
1260 @example
1261 #include <iostream>
1262 #include <ginac/ginac.h>
1263 using namespace std;
1264 using namespace GiNaC;
1265
1266 void foo()
1267 @{
1268     numeric three(3.0), one(1.0);
1269     numeric x = one/three;
1270
1271     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1272     cout << x << endl;
1273     cout << Pi.evalf() << endl;
1274 @}
1275
1276 int main()
1277 @{
1278     foo();
1279     Digits = 60;
1280     foo();
1281     return 0;
1282 @}
1283 @end example
1284
1285 The above example prints the following output to screen:
1286
1287 @example
1288 in 17 digits:
1289 0.33333333333333333334
1290 3.1415926535897932385
1291 in 60 digits:
1292 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1293 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1294 @end example
1295
1296 @cindex rounding
1297 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1298 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1299 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1300 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1301 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1302 architectures with different word size, the above output might even
1303 differ with regard to actually computed digits.
1304
1305 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1306 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1307 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1308
1309 @subsection Tests on numbers
1310
1311 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1312 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1313 kind of information from them like asking whether that number is
1314 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1315 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1316 certain CLN functions.)
1317
1318 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1319 some multiple of its denominator and test what comes out:
1320
1321 @example
1322 #include <iostream>
1323 #include <ginac/ginac.h>
1324 using namespace std;
1325 using namespace GiNaC;
1326
1327 // some very important constants:
1328 const numeric twentyone(21);
1329 const numeric ten(10);
1330 const numeric five(5);
1331
1332 int main()
1333 @{
1334     numeric answer = twentyone;
1335
1336     answer /= five;
1337     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1338     answer *= ten;
1339     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1340 @}
1341 @end example
1342
1343 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1344 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1345 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1346 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1347 the result is automatically converted to a pure integer again.
1348 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1349 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1350 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1351 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1352 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1353 can be applied is listed in the following table.
1354
1355 @cartouche
1356 @multitable @columnfractions .30 .70
1357 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1358 @item @code{.is_zero()}
1359 @tab @dots{}equal to zero
1360 @item @code{.is_positive()}
1361 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1362 @item @code{.is_negative()}
1363 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1364 @item @code{.is_integer()}
1365 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1366 @item @code{.is_pos_integer()}
1367 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1368 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1369 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1370 @item @code{.is_even()}
1371 @tab @dots{}an even integer
1372 @item @code{.is_odd()}
1373 @tab @dots{}an odd integer
1374 @item @code{.is_prime()}
1375 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1376 @item @code{.is_rational()}
1377 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1378 @item @code{.is_real()}
1379 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1380 @item @code{.is_cinteger()}
1381 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1382 @item @code{.is_crational()}
1383 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1384 @end multitable
1385 @end cartouche
1386
1387 @page
1388
1389 @subsection Numeric functions
1390
1391 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1392 evaluated immediately:
1393
1394 @cartouche
1395 @multitable @columnfractions .30 .70
1396 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1397 @item @code{inverse(z)}
1398 @tab returns @math{1/z}
1399 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1400 @item @code{pow(a, b)}
1401 @tab exponentiation @math{a^b}
1402 @item @code{abs(z)}
1403 @tab absolute value
1404 @item @code{real(z)}
1405 @tab real part
1406 @cindex @code{real()}
1407 @item @code{imag(z)}
1408 @tab imaginary part
1409 @cindex @code{imag()}
1410 @item @code{csgn(z)}
1411 @tab complex sign (returns an @code{int})
1412 @item @code{step(x)}
1413 @tab step function (returns an @code{numeric})
1414 @item @code{numer(z)}
1415 @tab numerator of rational or complex rational number
1416 @item @code{denom(z)}
1417 @tab denominator of rational or complex rational number
1418 @item @code{sqrt(z)}
1419 @tab square root
1420 @item @code{isqrt(n)}
1421 @tab integer square root
1422 @cindex @code{isqrt()}
1423 @item @code{sin(z)}
1424 @tab sine
1425 @item @code{cos(z)}
1426 @tab cosine
1427 @item @code{tan(z)}
1428 @tab tangent
1429 @item @code{asin(z)}
1430 @tab inverse sine
1431 @item @code{acos(z)}
1432 @tab inverse cosine
1433 @item @code{atan(z)}
1434 @tab inverse tangent
1435 @item @code{atan(y, x)}
1436 @tab inverse tangent with two arguments
1437 @item @code{sinh(z)}
1438 @tab hyperbolic sine
1439 @item @code{cosh(z)}
1440 @tab hyperbolic cosine
1441 @item @code{tanh(z)}
1442 @tab hyperbolic tangent
1443 @item @code{asinh(z)}
1444 @tab inverse hyperbolic sine
1445 @item @code{acosh(z)}
1446 @tab inverse hyperbolic cosine
1447 @item @code{atanh(z)}
1448 @tab inverse hyperbolic tangent
1449 @item @code{exp(z)}
1450 @tab exponential function
1451 @item @code{log(z)}
1452 @tab natural logarithm
1453 @item @code{Li2(z)}
1454 @tab dilogarithm
1455 @item @code{zeta(z)}
1456 @tab Riemann's zeta function
1457 @item @code{tgamma(z)}
1458 @tab gamma function
1459 @item @code{lgamma(z)}
1460 @tab logarithm of gamma function
1461 @item @code{psi(z)}
1462 @tab psi (digamma) function
1463 @item @code{psi(n, z)}
1464 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1465 @item @code{factorial(n)}
1466 @tab factorial function @math{n!}
1467 @item @code{doublefactorial(n)}
1468 @tab double factorial function @math{n!!}
1469 @cindex @code{doublefactorial()}
1470 @item @code{binomial(n, k)}
1471 @tab binomial coefficients
1472 @item @code{bernoulli(n)}
1473 @tab Bernoulli numbers
1474 @cindex @code{bernoulli()}
1475 @item @code{fibonacci(n)}
1476 @tab Fibonacci numbers
1477 @cindex @code{fibonacci()}
1478 @item @code{mod(a, b)}
1479 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1480 @cindex @code{mod()}
1481 @item @code{smod(a, b)}
1482 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1483 @cindex @code{smod()}
1484 @item @code{irem(a, b)}
1485 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1486 @cindex @code{irem()}
1487 @item @code{irem(a, b, q)}
1488 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1489 @item @code{iquo(a, b)}
1490 @tab integer quotient
1491 @cindex @code{iquo()}
1492 @item @code{iquo(a, b, r)}
1493 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1494 @item @code{gcd(a, b)}
1495 @tab greatest common divisor
1496 @item @code{lcm(a, b)}
1497 @tab least common multiple
1498 @end multitable
1499 @end cartouche
1500
1501 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1502 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1503 as polynomial algorithms.
1504
1505 @subsection Converting numbers
1506
1507 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1508 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1509 class provides a couple of methods for this purpose:
1510
1511 @cindex @code{to_int()}
1512 @cindex @code{to_long()}
1513 @cindex @code{to_double()}
1514 @cindex @code{to_cl_N()}
1515 @example
1516 int numeric::to_int() const;
1517 long numeric::to_long() const;
1518 double numeric::to_double() const;
1519 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1520 @end example
1521
1522 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1523 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1524 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1525 rational number will return a floating-point approximation. Both
1526 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1527 part of complex numbers.
1528
1529
1530 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1531 @c    node-name, next, previous, up
1532 @section Constants
1533 @cindex @code{constant} (class)
1534
1535 @cindex @code{Pi}
1536 @cindex @code{Catalan}
1537 @cindex @code{Euler}
1538 @cindex @code{evalf()}
1539 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1540 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1541
1542 The predefined known constants are:
1543
1544 @cartouche
1545 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1546 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1547 @item @code{Pi}
1548 @tab Archimedes' constant
1549 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1550 @item @code{Catalan}
1551 @tab Catalan's constant
1552 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1553 @item @code{Euler}
1554 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1555 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1556 @end multitable
1557 @end cartouche
1558
1559
1560 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1561 @c    node-name, next, previous, up
1562 @section Sums, products and powers
1563 @cindex polynomial
1564 @cindex @code{add}
1565 @cindex @code{mul}
1566 @cindex @code{power}
1567
1568 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1569 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1570 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1571 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1572 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1573 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1574 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1575 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1576
1577 @example
1578     ...
1579     symbol a("a"), b("b");
1580     ex MyTerm = 1+a*b;
1581     ...
1582 @end example
1583
1584 @cindex @code{pow()}
1585 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1586 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1587 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1588 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1589 have several counterintuitive and undesired effects:
1590
1591 @itemize @bullet
1592 @item
1593 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1594 @item
1595 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1596 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1597 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1598 @item
1599 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1600 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1601 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1602 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1603 has requested @code{2^3}.)
1604 @end itemize
1605
1606 @cindex @command{ginsh}
1607 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1608 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1609 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1610 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1611 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1612 not exist at all in C++).
1613
1614 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1615 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1616 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1617 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1618 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1619 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1620 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1621 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1622 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1623 @code{x} negative.
1624
1625 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1626 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1627 and safe simplifications are carried out like transforming
1628 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1629
1630
1631 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1632 @c    node-name, next, previous, up
1633 @section Lists of expressions
1634 @cindex @code{lst} (class)
1635 @cindex lists
1636 @cindex @code{nops()}
1637 @cindex @code{op()}
1638 @cindex @code{append()}
1639 @cindex @code{prepend()}
1640 @cindex @code{remove_first()}
1641 @cindex @code{remove_last()}
1642 @cindex @code{remove_all()}
1643
1644 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1645 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1646 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1647 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1648 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1649
1650 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1651 expressions:
1652
1653 @example
1654 @{
1655     symbol x("x"), y("y");
1656     lst l;
1657     l = x, 2, y, x+y;
1658     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1659     // in that order
1660     ...
1661 @end example
1662
1663 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1664 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1665
1666 @example
1667     ...
1668     // This produces the same list 'l' as above:
1669     // lst l(x, 2, y, x+y);
1670     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1671     ...
1672 @end example
1673
1674 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1675 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1676 individual elements:
1677
1678 @example
1679     ...
1680     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1681     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1682     ...
1683 @end example
1684
1685 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1686 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1687 sequential access to the elements of a list is possible with the
1688 iterator types provided by the @code{lst} class:
1689
1690 @example
1691 typedef ... lst::const_iterator;
1692 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1693 lst::const_iterator lst::begin() const;
1694 lst::const_iterator lst::end() const;
1695 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1696 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1697 @end example
1698
1699 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1700
1701 @example
1702     ...
1703     // O(N)
1704     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1705         cout << *i << endl;
1706     ...
1707 @end example
1708
1709 which is one order faster than
1710
1711 @example
1712     ...
1713     // O(N^2)
1714     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1715         cout << l.op(i) << endl;
1716     ...
1717 @end example
1718
1719 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1720 the C++ standard library:
1721
1722 @example
1723     ...
1724     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1725     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1726
1727     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1728     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1729     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1730     ...
1731 @end example
1732
1733 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1734 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1739     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1740     ...
1741 @end example
1742
1743 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1744 and @code{prepend()} methods:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1749     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1754 and @code{remove_last()}:
1755
1756 @example
1757     ...
1758     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1759     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1760     ...
1761 @end example
1762
1763 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1764
1765 @example
1766     ...
1767     l.remove_all();     // l is now empty
1768     ...
1769 @end example
1770
1771 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1772
1773 @example
1774     ...
1775     lst l1, l2;
1776     l1 = x, 2, y, x+y;
1777     l2 = 2, x+y, x, y;
1778     l1.sort();
1779     l2.sort();
1780     // l1 and l2 are now equal
1781     ...
1782 @end example
1783
1784 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1785 elements with @code{unique()}:
1786
1787 @example
1788     ...
1789     lst l3;
1790     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1791     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1792 @}
1793 @end example
1794
1795
1796 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1797 @c    node-name, next, previous, up
1798 @section Mathematical functions
1799 @cindex @code{function} (class)
1800 @cindex trigonometric function
1801 @cindex hyperbolic function
1802
1803 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1804 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1805 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1806
1807 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1808 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1809 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1810 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1811 the next example, showing how a function returns itself twice and
1812 finally an expression that may be really useful:
1813
1814 @cindex Gamma function
1815 @cindex @code{subs()}
1816 @example
1817     ...
1818     symbol x("x"), y("y");    
1819     ex foo = x+y/2;
1820     cout << tgamma(foo) << endl;
1821      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1822     ex bar = foo.subs(y==1);
1823     cout << tgamma(bar) << endl;
1824      // -> tgamma(x+1/2)
1825     ex foobar = bar.subs(x==7);
1826     cout << tgamma(foobar) << endl;
1827      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1828     ...
1829 @end example
1830
1831 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1832 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1833 this.
1834
1835 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1836 functions, where the argument list is templated.  This means that
1837 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1838 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1839 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1840 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1841 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1842 point number of class @code{numeric} you should call
1843 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1844 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1845 wrapped inside an @code{ex}.
1846
1847
1848 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1849 @c    node-name, next, previous, up
1850 @section Relations
1851 @cindex @code{relational} (class)
1852
1853 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1854 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1855 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1856 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1857 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1858 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1859
1860 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1861 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1862 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1863 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1864 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1865 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1866 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1867 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1868 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1869 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1870 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1871 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1872 @code{expand()} must be called explicitly.
1873
1874 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1875 @c    node-name, next, previous, up
1876 @section Integrals
1877 @cindex @code{integral} (class)
1878
1879 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1880 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1881 1, you would write this as
1882 @example
1883 integral(x, 0, 1, x*x)
1884 @end example
1885 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1886 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1887 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1888 can be evaluated symbolically by calling the
1889 @example
1890 .eval_integ()
1891 @end example
1892 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1893 @example
1894 .evalf()
1895 @end example
1896 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1897 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1898 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1899 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1900 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1901 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1902 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1903 integrals is determined by the static member variable
1904 @example
1905 ex integral::relative_integration_error
1906 @end example
1907 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1908 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1909 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1910 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1911 variable
1912 @example
1913 int integral::max_integration_level
1914 @end example
1915 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1916 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1917 evaluation, is also available as
1918 @example
1919 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1920                    const ex & error)
1921 @end example
1922 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1923 last parameter of the function is optional and defaults to the
1924 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1925 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1926 a lookup table is used.
1927
1928 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1929 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1930 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1931 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1932 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1933 with respect to the integration variable.
1934
1935 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1936 @c    node-name, next, previous, up
1937 @section Matrices
1938 @cindex @code{matrix} (class)
1939
1940 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1941 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1942 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1943 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1944
1945 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1946 elements. The constructor
1947
1948 @example
1949 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1950 @end example
1951
1952 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1953 set to zero.
1954
1955 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1956 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1957 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1958
1959 @example
1960 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1961 @end example
1962
1963 The function
1964
1965 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1966 @example
1967 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1968 @end example
1969
1970 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1971
1972 There is also a set of functions for creating some special types of
1973 matrices:
1974
1975 @cindex @code{diag_matrix()}
1976 @cindex @code{unit_matrix()}
1977 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1978 @example
1979 ex diag_matrix(const lst & l);
1980 ex unit_matrix(unsigned x);
1981 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1982 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1983 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1984                    const string & tex_base_name);
1985 @end example
1986
1987 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1988 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1989 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1990 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1991 and the position of each element in the matrix.
1992
1993 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1994 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1995 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1996 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1997 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1998 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1999
2000 @cindex @code{sub_matrix()}
2001 @cindex @code{reduced_matrix()}
2002 @example
2003 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2004 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2005 @end example
2006
2007 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2008 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2009 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2010 that specify which row and column to remove:
2011
2012 @example
2013 @{
2014     matrix m(3,3);
2015     m = 11, 12, 13,
2016         21, 22, 23,
2017         31, 32, 33;
2018     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2019     // -> [[11,13],[31,33]]
2020     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2021     // -> [[22,23],[32,33]]
2022 @}
2023 @end example
2024
2025 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2026 operator:
2027
2028 @example
2029 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2030 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2031 @end example
2032
2033 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2034 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2035 @samp{[]} is not available.
2036
2037 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2038
2039 @example
2040 @{
2041     symbol a("a"), b("b");
2042
2043     matrix M(2, 2);
2044     M = a, 0,
2045         0, b;
2046     cout << M << endl;
2047      // -> [[a,0],[0,b]]
2048
2049     matrix M2(2, 2);
2050     M2(0, 0) = a;
2051     M2(1, 1) = b;
2052     cout << M2 << endl;
2053      // -> [[a,0],[0,b]]
2054
2055     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2056      // -> [[a,0],[0,b]]
2057
2058     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2059      // -> [[a,0],[0,b]]
2060
2061     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2062      // -> [[a,0],[0,b]]
2063
2064     cout << unit_matrix(3) << endl;
2065      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2066
2067     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2068      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2069 @}
2070 @end example
2071
2072 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2073 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2074 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2075 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2076 expression is zero or a zero matrix.
2077
2078 @cindex @code{transpose()}
2079 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2080 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2081
2082 @example
2083 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2084 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2085 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2086 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2087 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2088 matrix matrix::transpose() const;
2089 @end example
2090
2091 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2092 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2093 and @math{C}:
2094
2095 @example
2096 @{
2097     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2098     A =  1, 2,
2099          3, 4;
2100     B = -1, 0,
2101          2, 1;
2102     C =  8, 4,
2103          2, 1;
2104
2105     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2106     cout << result << endl;
2107      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2108     ...
2109 @}
2110 @end example
2111
2112 @cindex @code{evalm()}
2113 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2114 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2115 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2116 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2117 method
2118
2119 @example
2120 ex ex::evalm() const;
2121 @end example
2122
2123 to obtain the result:
2124
2125 @example
2126 @{
2127     ...
2128     ex e = A*B - 2*C;
2129     cout << e << endl;
2130      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2131     cout << e.evalm() << endl;
2132      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2133     ...
2134 @}
2135 @end example
2136
2137 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2138 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2139 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2140 dealing with non-commutative expressions.
2141
2142 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2143 to perform the arithmetic:
2144
2145 @example
2146 @{
2147     ...
2148     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2149     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2150     cout << e << endl;
2151      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2152     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2153      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2154 @}
2155 @end example
2156
2157 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2158 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2159 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2160 more information about using matrices with indices, and about indices in
2161 general.
2162
2163 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2164 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2165
2166 @cindex @code{determinant()}
2167 @cindex @code{trace()}
2168 @cindex @code{charpoly()}
2169 @cindex @code{rank()}
2170 @example
2171 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2172 ex matrix::trace() const;
2173 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2174 unsigned matrix::rank() const;
2175 @end example
2176
2177 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2178 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2179 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2180 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2181 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2182 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2183 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2184 quickly.
2185
2186 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2187 @cindex @code{solve()}
2188 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2189 method and linear systems may be solved with:
2190
2191 @example
2192 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2193                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2194 @end example
2195
2196 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2197 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2198 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2199 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2200 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2201 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2202 overdetermined, an exception is thrown.
2203
2204
2205 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2206 @c    node-name, next, previous, up
2207 @section Indexed objects
2208
2209 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2210 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2211 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2212 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2213
2214 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2215 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2216 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2217 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2218
2219 @cindex @code{idx} (class)
2220 @cindex @code{indexed} (class)
2221 @subsection Indexed quantities and their indices
2222
2223 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2224 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2225
2226 @itemize @bullet
2227
2228 @cindex contravariant
2229 @cindex covariant
2230 @cindex variance
2231 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2232 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2233 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2234 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2235 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2236 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2237
2238 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2239 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2240 one or more indices.
2241
2242 @end itemize
2243
2244 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2245 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2246 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2247 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2248 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2249 not visible in the output.
2250
2251 A simple example shall illustrate the concepts:
2252
2253 @example
2254 #include <iostream>
2255 #include <ginac/ginac.h>
2256 using namespace std;
2257 using namespace GiNaC;
2258
2259 int main()
2260 @{
2261     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2262     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2263
2264     symbol A("A");
2265     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2266      // -> A.i.j
2267     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2268      // -> A.i[3].j[3]
2269     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2270     ...
2271 @end example
2272
2273 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2274 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2275 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2276 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2277 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2278 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2279 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2280 @code{j}.
2281
2282 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2283 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2284 as shown above.
2285
2286 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2287 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2288 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2289 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2290 correct and will raise an exception:
2291
2292 @example
2293 symbol i("i"), j("j");
2294 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2295 @end example
2296
2297 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2298 be numeric, and index dimensions symbolic:
2299
2300 @example
2301     ...
2302     symbol B("B"), dim("dim");
2303     cout << 4 * indexed(A, i)
2304           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2305      // -> B.j.2.i+4*A.i
2306     ...
2307 @end example
2308
2309 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2310 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2311 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2312 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2313 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2314
2315 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2316 arbitrary expressions:
2317
2318 @example
2319     ...
2320     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2321      // -> (B+A).(1+2*i)
2322     ...
2323 @end example
2324
2325 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2326 get an error message from this but you will probably not be able to do
2327 anything useful with it.
2328
2329 @cindex @code{get_value()}
2330 @cindex @code{get_dim()}
2331 The methods
2332
2333 @example
2334 ex idx::get_value();
2335 ex idx::get_dim();
2336 @end example
2337
2338 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2339 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2340 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2341 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2342
2343 There are also the methods
2344
2345 @example
2346 bool idx::is_numeric();
2347 bool idx::is_symbolic();
2348 bool idx::is_dim_numeric();
2349 bool idx::is_dim_symbolic();
2350 @end example
2351
2352 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2353 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2354 about expressions}) returns information about the index value.
2355
2356 @cindex @code{varidx} (class)
2357 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2358
2359 @example
2360     ...
2361     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2362     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2363     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2364
2365     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2366      // -> A~mu~nu
2367     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2368      // -> A.mu~nu
2369     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2370      // -> A.mu~nu
2371     ...
2372 @end example
2373
2374 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2375 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2376 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2377 constructor. The two methods
2378
2379 @example
2380 bool varidx::is_covariant();
2381 bool varidx::is_contravariant();
2382 @end example
2383
2384 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2385 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2386 method
2387
2388 @example
2389 ex varidx::toggle_variance();
2390 @end example
2391
2392 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2393 variance. By using it you only have to define the index once.
2394
2395 @cindex @code{spinidx} (class)
2396 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2397 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2398
2399 @example
2400     ...
2401     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2402     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2403                                             // contravariant, undotted
2404     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2405     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2406     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2407
2408     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2409      // -> K~C~D
2410     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2411      // -> K.C~*D
2412     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2413      // -> K.*D~D
2414     ...
2415 @end example
2416
2417 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2418 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2419 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2420 methods
2421
2422 @example
2423 bool spinidx::is_dotted();
2424 bool spinidx::is_undotted();
2425 @end example
2426
2427 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2428 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2429 Finally, the two methods
2430
2431 @example
2432 ex spinidx::toggle_dot();
2433 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2434 @end example
2435
2436 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2437 and the same or opposite variance.
2438
2439 @subsection Substituting indices
2440
2441 @cindex @code{subs()}
2442 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2443 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2444 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2445 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2446
2447 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2448 by another index or expression:
2449
2450 @example
2451     ...
2452     ex e = indexed(A, mu_co);
2453     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2454      // -> A.mu becomes A~nu
2455     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2456      // -> A.mu becomes A~0
2457     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2458      // -> A.mu becomes A.0
2459     ...
2460 @end example
2461
2462 The third example shows that trying to replace an index with something that
2463 is not an index will substitute the index value instead.
2464
2465 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2466 another expression:
2467
2468 @example
2469     ...
2470     ex e = indexed(A, mu_co);
2471     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2472      // -> A.mu becomes A.nu
2473     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2474      // -> A.mu becomes A.0
2475     ...
2476 @end example
2477
2478 As you see, with the second method only the value of the index will get
2479 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2480 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2481 whole index by another one with the new dimension.
2482
2483 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2484 expected:
2485
2486 @example
2487     ...
2488     ex e = indexed(A, mu_co);
2489     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2490      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2491     ...
2492 @end example
2493
2494 @subsection Symmetries
2495 @cindex @code{symmetry} (class)
2496 @cindex @code{sy_none()}
2497 @cindex @code{sy_symm()}
2498 @cindex @code{sy_anti()}
2499 @cindex @code{sy_cycl()}
2500
2501 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2502 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2503 that is constructed with the helper functions
2504
2505 @example
2506 symmetry sy_none(...);
2507 symmetry sy_symm(...);
2508 symmetry sy_anti(...);
2509 symmetry sy_cycl(...);
2510 @end example
2511
2512 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2513 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2514 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2515 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2516 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2517 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2518 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2519 all indices.
2520
2521 Here are some examples of symmetry definitions:
2522
2523 @example
2524     ...
2525     // No symmetry:
2526     e = indexed(A, i, j);
2527     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2528     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2529
2530     // Symmetric in all three indices:
2531     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2532     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2533     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2534                                                // different canonical order
2535
2536     // Symmetric in the first two indices only:
2537     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2538     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2539
2540     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2541     // be contiguous):
2542     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2543     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2544
2545     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2546     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2547     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2548     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2549
2550     // Cyclic symmetry in all three indices:
2551     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2552     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2553
2554     // The following examples are invalid constructions that will throw
2555     // an exception at run time.
2556
2557     // An index may not appear multiple times:
2558     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2559     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2560
2561     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2562     // same number of indices:
2563     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2564
2565     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2566     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2571 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2572 full symmetry in the first six indices you would write
2573 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2574
2575 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2576 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2577
2578 @example
2579     ...
2580     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2581           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2582      // -> 2*A.j.i
2583     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2584           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2585      // -> 0
2586     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2587           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2588      // -> 0
2589     ...
2590 @end example
2591
2592 @cindex @code{get_free_indices()}
2593 @cindex dummy index
2594 @subsection Dummy indices
2595
2596 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2597 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2598 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2599 dummy nor free indices.
2600
2601 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2602 class and their value must be the same single symbol (an index like
2603 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2604 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2605 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2606
2607 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2608 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2609 of a sum are consistent:
2610
2611 @example
2612 @{
2613     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2614
2615     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2616     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2617
2618     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2619     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2620      // -> (.i,.k)
2621      // 'j' and 'l' are dummy indices
2622
2623     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2624     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2625
2626     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2627       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2628     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2629      // -> (~mu,~rho)
2630      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2631
2632     e = indexed(A, mu, mu);
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2634      // -> (~mu)
2635      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2636      // variance
2637
2638     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2639     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2640      // this will throw an exception:
2641      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2642 @}
2643 @end example
2644
2645 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2646 A dummy index summation like 
2647 @tex
2648 $ a_i b^i$
2649 @end tex
2650 @ifnottex
2651 a.i b~i
2652 @end ifnottex
2653 can be expanded for indices with numeric
2654 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2655 @tex
2656 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2657 @end tex
2658 @ifnottex
2659 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2660 @end ifnottex
2661 This is performed by the function
2662
2663 @example
2664     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2665 @end example
2666
2667 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2668 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2669 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2670 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2671 @tex
2672 $ a_i b^i$
2673 @end tex
2674 @ifnottex
2675 a.i b~i
2676 @end ifnottex
2677 will be expanded to
2678 @tex
2679 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2680 @end tex
2681 @ifnottex
2682 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2683 @end ifnottex
2684
2685
2686 @cindex @code{simplify_indexed()}
2687 @subsection Simplifying indexed expressions
2688
2689 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2690 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2691 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2692 there is the method
2693
2694 @example
2695 ex ex::simplify_indexed();
2696 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2697 @end example
2698
2699 that performs some more expensive operations:
2700
2701 @itemize @bullet
2702 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2703   @code{get_free_indices()} does
2704 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2705   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2706 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2707   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2708   next section)
2709 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2710   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2711 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2712   of two tensors with a user-defined value
2713 @end itemize
2714
2715 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2716 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2717 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2718
2719 @example
2720 @{
2721     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2722     idx i(i_sym, 3);
2723
2724     scalar_products sp;
2725     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2726     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2727     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2728
2729     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2730     cout << e << endl;
2731      // -> (B+A).i*(A+C).i
2732
2733     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2734          << endl;
2735      // -> 4+C.i*B.i
2736 @}
2737 @end example
2738
2739 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2740 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2741 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2742 taken, and the expression to replace it with.
2743
2744 @cindex @code{expand()}
2745 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2746 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2747 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2748
2749 @cindex @code{tensor} (class)
2750 @subsection Predefined tensors
2751
2752 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2753 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2754 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2755 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2756 indices are specified).
2757
2758 @cindex @code{delta_tensor()}
2759 @subsubsection Delta tensor
2760
2761 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2762 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2763 @code{delta_tensor()}:
2764
2765 @example
2766 @{
2767     symbol A("A"), B("B");
2768
2769     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2770         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2771
2772     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2773          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2774     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2775      // -> B.i.j*A.i.j
2776
2777     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2778      // -> 3
2779 @}
2780 @end example
2781
2782 @cindex @code{metric_tensor()}
2783 @subsubsection General metric tensor
2784
2785 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2786 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2787 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2788 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2789
2790 @example
2791 @{
2792     symbol A("A");
2793
2794     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2795
2796     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2797     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2798      // -> A~mu~rho
2799
2800     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2801     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2802      // -> g~mu~rho
2803
2804     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2805       * metric_tensor(nu, rho);
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> delta.mu~rho
2808
2809     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2810       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2811         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 4+A.rho~rho
2814 @}
2815 @end example
2816
2817 @cindex @code{lorentz_g()}
2818 @subsubsection Minkowski metric tensor
2819
2820 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2821 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2822 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2823 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2824 @samp{eta}):
2825
2826 @example
2827 @{
2828     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2829
2830     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2831       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2832     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2833      // -> 1
2834
2835     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2836       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> -1
2839 @}
2840 @end example
2841
2842 @cindex @code{spinor_metric()}
2843 @subsubsection Spinor metric tensor
2844
2845 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2846 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2847 It is output as @samp{eps}:
2848
2849 @example
2850 @{
2851     symbol psi("psi");
2852
2853     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2854     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2855
2856     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2857     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2858      // -> psi~A
2859
2860     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2861     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2862      // -> -psi~B
2863
2864     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> -psi.A
2867
2868     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2869     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2870      // -> psi.B
2871
2872     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2873     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2874      // -> 2
2875
2876     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2877     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2878      // -> -delta.A~C
2879 @}
2880 @end example
2881
2882 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2883
2884 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2885 @cindex @code{lorentz_eps()}
2886 @subsubsection Epsilon tensor
2887
2888 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2889 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2890 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2891 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2892 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2893 @samp{eps}.
2894
2895 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2896 dimensions:
2897
2898 @example
2899 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2900 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2901 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2902                bool pos_sig = false);
2903 @end example
2904
2905 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2906 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2907 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2908 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2909 tensor):
2910
2911 @example
2912 @{
2913     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2914            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2915     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2916         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2917     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2918      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2919
2920     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2921     symbol A("A"), B("B");
2922     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2923     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2924      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2925     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2926     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2927      // -> 0
2928 @}
2929 @end example
2930
2931 @subsection Linear algebra
2932
2933 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2934 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2935 and scalar products):
2936
2937 @example
2938 @{
2939     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2940     symbol x("x"), y("y");
2941
2942     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2943     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2944     A = 1, 2,
2945         3, 4;
2946     X = x, y;
2947
2948     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2949      // -> 5
2950
2951     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2952     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2953      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2954
2955     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2956     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2957      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2958 @}
2959 @end example
2960
2961 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2962 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2963 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2964
2965 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2966 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2967 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2968 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2969
2970 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2971 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2972 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2973 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2974 of the metric tensor.
2975
2976
2977 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2978 @c    node-name, next, previous, up
2979 @section Non-commutative objects
2980
2981 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2982 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2983 physics:
2984
2985 @itemize
2986 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2987 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2988 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2989 @end itemize
2990
2991 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2992 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2993 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2994 @ref{Matrices}.
2995
2996 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2997 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2998 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2999 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3000 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3001 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3002 by their class. Consider this example:
3003
3004 @example
3005     ...
3006     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3007     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3008     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3009     cout << e << endl;
3010      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3011     ...
3012 @end example
3013
3014 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3015 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3016 together while preserving the order of factors within each class (because
3017 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3018 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3019 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3020 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3021
3022 @cindex @code{ncmul} (class)
3023 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3024 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3025 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3026 though.
3027
3028 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3029 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3030 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3031 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3032 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3033 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3034 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3035 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3036
3037 @cindex @code{return_type()}
3038 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3039 Information about the commutativity of an object or expression can be
3040 obtained with the two member functions
3041
3042 @example
3043 unsigned      ex::return_type() const;
3044 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3045 @end example
3046
3047 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3048 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3049 expressions in GiNaC:
3050
3051 @itemize @bullet
3052 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3053   classes are of this kind.
3054 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3055   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3056   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3057   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3058   class.
3059 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3060   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3061   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3062   @code{noncommutative_composite} expressions.
3063 @end itemize
3064
3065 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3066 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3067 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3068 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3069 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3070 therefore may not commute.
3071
3072 Here are a couple of examples:
3073
3074 @cartouche
3075 @multitable @columnfractions .6 .4
3076 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3077 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3078 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3079 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3080 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3081 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3082 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3083 @end multitable
3084 @end cartouche
3085
3086 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3087 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3088 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3089 non-commutative expressions).
3090
3091
3092 @cindex @code{clifford} (class)
3093 @subsection Clifford algebra
3094
3095
3096 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3097 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3098 mathematical). 
3099
3100 @cindex @code{dirac_gamma()}
3101 @subsubsection Dirac gamma matrices
3102 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3103 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3104 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3105 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3106 constructed by the function
3107
3108 @example
3109 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3113 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3114 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3115 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3116 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3117 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3118
3119 @cindex @code{dirac_ONE()}
3120 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3121
3122 @example
3123 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3124 @end example
3125
3126 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3127 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3128 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3129 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3130 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3131
3132 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3133 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3134 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3135 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3136
3137 @example
3138 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3139 @end example
3140
3141 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3142 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3143 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3144 objects, constructed by
3145
3146 @example
3147 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3148 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3149 @end example
3150
3151 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3152 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3153
3154 @cindex @code{dirac_slash()}
3155 Finally, the function
3156
3157 @example
3158 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3159 @end example
3160
3161 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3162 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3163 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3164 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3165
3166 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3167 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3168 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3169
3170 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3171 for example
3172
3173 @example
3174 @{
3175     ...
3176     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3177     varidx mu(symbol("mu"), D);
3178     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3179          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3180     cout << e << endl;
3181      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3182     e = e.simplify_indexed();
3183     cout << e << endl;
3184      // -> -D*a\+2*a\
3185     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3186      // -> -2*a\
3187     ...
3188 @}
3189 @end example
3190
3191 @cindex @code{dirac_trace()}
3192 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3193 you use one of the functions
3194
3195 @example
3196 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3197                const ex & trONE = 4);
3198 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3199 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3200 @end example
3201
3202 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3203 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3204 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3205 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3206 element, which defaults to 4.
3207
3208 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3209 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3210 functional is not cyclic in
3211 @tex $D \ne 4$
3212 @end tex
3213 @ifnottex
3214 @math{D != 4}
3215 @end ifnottex
3216 dimensions when acting on
3217 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3218 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3219 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3220
3221 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3222 @tex $D \ne 4$
3223 @end tex
3224 @ifnottex
3225 @math{D != 4}
3226 @end ifnottex
3227 dimensions:
3228
3229 @example
3230 @{
3231     // 4 dimensions
3232     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3233     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3234            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3235     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3236      // -> -8*eta~rho~nu
3237 @}
3238 ...
3239 @{
3240     // D dimensions
3241     symbol D("D");
3242     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3243     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3244            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3245     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3246      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3247 @}
3248 @end example
3249
3250 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3251 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3252 QED:
3253
3254 @example
3255 @{
3256     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3257     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3258
3259     scalar_products sp;
3260     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3261     sp.add(l, q, ldotq);
3262
3263     ex e = dirac_gamma(mu) *
3264            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3265            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3266            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3267     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3268     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3269     cout << e << endl;
3270      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3271 @}
3272 @end example
3273
3274 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3275 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3276 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3277
3278 @example
3279 @{
3280     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3281     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3282     cout << e << endl;
3283      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3284
3285     e = canonicalize_clifford(e);
3286     cout << e << endl;
3287      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3288 @}
3289 @end example
3290
3291 @cindex @code{clifford_unit()}
3292 @subsubsection A generic Clifford algebra
3293
3294 A generic Clifford algebra, i.e. a
3295 @tex $2^n$
3296 @end tex
3297 @ifnottex
3298 2^n
3299 @end ifnottex
3300 dimensional algebra with
3301 generators 
3302 @tex $e_k$
3303 @end tex 
3304 @ifnottex
3305 e_k
3306 @end ifnottex
3307 satisfying the identities 
3308 @tex
3309 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3313 @end ifnottex
3314 for some bilinear form (@code{metric})
3315 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3316 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3317 function 
3318
3319 @example
3320     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3321 @end example
3322
3323 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3324 indexing the generators.
3325 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3326 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3327 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3328 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3329 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3330 @code{op(0)} will be used.
3331 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3332 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3333
3334 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3335 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3336 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3337 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3338 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3339 Clifford number.
3340
3341 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3342 the Clifford algebra units with a call like that
3343
3344 @example
3345     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3346 @end example
3347
3348 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3349 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3350 automatically. 
3351
3352 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3353 ways. For example 
3354
3355 @example
3356 @{
3357     ... 
3358     idx i(symbol("i"), 4);
3359     realsymbol s("s");
3360     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3361     ex e = clifford_unit(i, M);
3362     ex e0 = e.subs(i == 0);
3363     ex e1 = e.subs(i == 1);
3364     ex e2 = e.subs(i == 2);
3365     ex e3 = e.subs(i == 3);
3366     ...
3367 @}
3368 @end example
3369
3370 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3371 @tex
3372 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3373 @end tex
3374 @ifnottex
3375 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3376 @code{pow(e3, 2) = s}.
3377 @end ifnottex
3378
3379 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3380 A similar effect can be achieved from the function
3381
3382 @example
3383     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3384                        unsigned char rl = 0);
3385     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3386 @end example
3387
3388 which converts a list or vector 
3389 @tex
3390 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3391 @end tex
3392 @ifnottex
3393 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3394 @end ifnottex
3395 into the
3396 Clifford number 
3397 @tex
3398 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3399 @end tex
3400 @ifnottex
3401 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3402 @end ifnottex
3403 with @samp{e.k}
3404 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3405 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3406 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3407 @cindex pseudo-vector
3408 If the number of components supplied
3409 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3410 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3411 pseudo-vector representation: 
3412 @tex
3413 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3414 @end tex
3415 @ifnottex
3416 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3417 @end ifnottex
3418
3419 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3420
3421 @example
3422 @{
3423     ...
3424     idx i(symbol("i"), 4);
3425     realsymbol s("s");
3426     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3427     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3428     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3429     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3430     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3431   ...
3432 @}
3433 @end example
3434
3435 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3436 There is the inverse function 
3437
3438 @example
3439     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3440 @end example
3441
3442 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3443 @tex
3444 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3445 @end tex
3446 @ifnottex
3447 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3448 @end ifnottex
3449 such that the expression is either vector 
3450 @tex
3451 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3452 @end tex
3453 @ifnottex
3454 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3455 @end ifnottex
3456 or pseudo-vector 
3457 @tex
3458 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3459 @end tex
3460 @ifnottex
3461 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3462 @end ifnottex
3463 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3464 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3465 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3466 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3467 @samp{v~k} are calculated as 
3468 @tex
3469 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3470 @end tex
3471 @ifnottex
3472 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3473 @end ifnottex
3474 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3475 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3476 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3477
3478 @cindex @code{clifford_prime()}
3479 @cindex @code{clifford_star()}
3480 @cindex @code{clifford_bar()}
3481 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3482
3483 @example
3484     ex clifford_prime(const ex & e)
3485     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3486     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3487 @end example
3488
3489 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3490 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3491 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3492 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3493 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3494 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3495 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3496 in a product. These functions correspond to the notations
3497 @math{e'},
3498 @tex
3499 $e^*$
3500 @end tex
3501 @ifnottex
3502 e*
3503 @end ifnottex
3504 and
3505 @tex
3506 $\overline{e}$
3507 @end tex
3508 @ifnottex
3509 @code{\bar@{e@}}
3510 @end ifnottex
3511 used in Clifford algebra textbooks.
3512
3513 @cindex @code{clifford_norm()}
3514 The function
3515
3516 @example
3517     ex clifford_norm(const ex & e);
3518 @end example
3519
3520 @cindex @code{clifford_inverse()}
3521 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3522 @tex
3523 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3524 @end tex
3525 @ifnottex
3526 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3527 @end ifnottex
3528  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3529
3530 @example
3531     ex clifford_inverse(const ex & e);
3532 @end example
3533
3534 which calculates it as 
3535 @tex
3536 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3537 @end tex
3538 @ifnottex
3539 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3540 @end ifnottex
3541  If
3542 @tex
3543 $||e|| = 0$
3544 @end tex
3545 @ifnottex
3546 @math{||e||=0}
3547 @end ifnottex
3548 then an exception is raised.
3549
3550 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3551 If a Clifford number happens to be a factor of
3552 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3553 expression by the function
3554
3555 @example
3556     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3557 @end example
3558
3559 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3560 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3561 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3562
3563 The next provided function is
3564
3565 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3566 @example
3567     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3568                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3569                             unsigned char rl = 0);
3570     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3571                             unsigned char rl = 0);
3572 @end example 
3573
3574 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3575 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3576 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3577 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3578 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3579 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3580 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3581 is either a vector or a list holding vector's components.
3582
3583 @cindex @code{clifford_max_label()}
3584 Finally the function
3585
3586 @example
3587 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3588 @end example
3589
3590 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3591 such objects are found it returns the maximal
3592 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3593 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3594 be ignored during the search.
3595  
3596 LaTeX output for Clifford units looks like
3597 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3598 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3599 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3600 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3601 @example
3602     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3603 @end example
3604 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3605 @example
3606     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3607 @end example
3608 prints units with @code{representation_label=0} as 
3609 @tex
3610 $e$,
3611 @end tex
3612 @ifnottex
3613 @code{e},
3614 @end ifnottex
3615 with @code{representation_label=1} as 
3616 @tex
3617 $\tilde{e}$
3618 @end tex
3619 @ifnottex
3620 @code{\tilde@{e@}}
3621 @end ifnottex
3622  and with @code{representation_label=2} as 
3623 @tex
3624 $\breve{e}$.
3625 @end tex
3626 @ifnottex
3627 @code{\breve@{e@}}.
3628 @end ifnottex
3629
3630 @cindex @code{color} (class)
3631 @subsection Color algebra
3632
3633 @cindex @code{color_T()}
3634 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3635 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3636 elements @math{T_a} are constructed by the function
3637
3638 @example
3639 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3640 @end example
3641
3642 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3643 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3644 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3645 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3646 not @code{varidx}.
3647
3648 @cindex @code{color_ONE()}
3649 The unity element of a color algebra is constructed by
3650
3651 @example
3652 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3653 @end example
3654
3655 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3656 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3657 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3658 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3659 GiNaC may produce incorrect results.
3660
3661 @cindex @code{color_d()}
3662 @cindex @code{color_f()}
3663 The functions
3664
3665 @example
3666 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3667 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3668 @end example
3669
3670 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3671 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3672 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3673
3674 These functions evaluate to their numerical values,
3675 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3676 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3677 goes along better with the notations used in physical literature.
3678
3679 @cindex @code{color_h()}
3680 There's an additional function
3681
3682 @example
3683 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3684 @end example
3685
3686 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3687
3688 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3689 expressions containing color objects:
3690
3691 @example
3692 @{
3693     ...
3694     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3695         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3696
3697     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3698     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3699      // -> 0
3700
3701     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3702     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3703      // -> 5/3*delta.k.l
3704
3705     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3706     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3707      // -> 3*delta.k.l
3708
3709     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3710     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3711      // -> -32/3
3712
3713     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3714     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3715      // -> -2/3*T.a
3716
3717     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3718     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3719      // -> -8/9*ONE
3720
3721     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3722     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3723      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3724     ...
3725 @end example
3726
3727 @cindex @code{color_trace()}
3728 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3729 of the functions
3730
3731 @example
3732 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3733 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3734 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3735 @end example
3736
3737 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3738 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3739 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3740 example:
3741
3742 @example
3743     ...
3744     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3745     cout << e << endl;
3746      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3747 @}
3748 @end example
3749
3750
3751 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3752 @c    node-name, next, previous, up
3753 @section Hash Maps
3754 @cindex hash maps
3755 @cindex @code{exhashmap} (class)
3756
3757 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3758 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3759 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3760 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3761
3762 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3763 following differences:
3764
3765 @itemize @bullet
3766 @item
3767 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3768 @item
3769 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3770 @item 
3771 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3772 @item
3773 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3774 @code{ex_is_less}
3775 @item
3776 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3777 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3778 larger than the specified value)
3779 @item
3780 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3781 table
3782 @item 
3783 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3784 @end itemize
3785
3786
3787 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3788 @c    node-name, next, previous, up
3789 @chapter Methods and functions
3790 @cindex polynomial
3791
3792 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3793 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3794 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3795 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3796 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3797 example:
3798
3799 @example
3800     ...
3801     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3802     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3803     ...
3804 @end example
3805
3806 @cindex @code{subs()}
3807 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3808 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3809 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3810 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3811 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3812 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3813 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3814 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3815 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3816 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3817 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3818 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3819 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3820 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3821 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3822 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3823 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3824 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3825 avoided.
3826
3827 @menu
3828 * Information about expressions::
3829 * Numerical evaluation::
3830 * Substituting expressions::
3831 * Pattern matching and advanced substitutions::
3832 * Applying a function on subexpressions::
3833 * Visitors and tree traversal::
3834 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3835 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3836 * Symbolic differentiation::
3837 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3838 * Symmetrization::
3839 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3840 * Multiple polylogarithms::
3841 * Complex expressions::
3842 * Solving linear systems of equations::
3843 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3844 @end menu
3845
3846
3847 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3848 @c    node-name, next, previous, up
3849 @section Getting information about expressions
3850
3851 @subsection Checking expression types
3852 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3853 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3854 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3855 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3856 @cindex @code{info()}
3857 @cindex @code{return_type()}
3858 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3859
3860 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3861 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3862 GiNaC provides a couple of functions for this:
3863
3864 @example
3865 bool is_a<T>(const ex & e);
3866 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3867 bool ex::info(unsigned flag);
3868 unsigned ex::return_type() const;
3869 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3870 @end example
3871
3872 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3873 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3874 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3875 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3876
3877 @example
3878 @{
3879     @dots{}
3880     if (is_a<numeric>(e))
3881         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3882     @dots{}
3883 @}
3884 @end example
3885
3886 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3887 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3888 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3889 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3890
3891 @example
3892 @{
3893     symbol x("x");
3894     ex e1 = 42;
3895     ex e2 = 4*x - 3;
3896     is_a<numeric>(e1);  // true
3897     is_a<numeric>(e2);  // false
3898     is_a<add>(e1);      // false
3899     is_a<add>(e2);      // true
3900     is_a<mul>(e1);      // false
3901     is_a<mul>(e2);      // false
3902 @}
3903 @end example
3904
3905 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3906 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3907 class @samp{T}, not including parent classes.
3908
3909 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3910 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3911 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3912 table:
3913
3914 @cartouche
3915 @multitable @columnfractions .30 .70
3916 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3917 @item @code{numeric}
3918 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3919 @item @code{real}
3920 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3921 @item @code{rational}
3922 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3923 @item @code{integer}
3924 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3925 @item @code{crational}
3926 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3927 @item @code{cinteger}
3928 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3929 @item @code{positive}
3930 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3931 @item @code{negative}
3932 @tab @dots{}not complex and less than 0
3933 @item @code{nonnegative}
3934 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3935 @item @code{posint}
3936 @tab @dots{}an integer greater than 0
3937 @item @code{negint}
3938 @tab @dots{}an integer less than 0
3939 @item @code{nonnegint}
3940 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3941 @item @code{even}
3942 @tab @dots{}an even integer
3943 @item @code{odd}
3944 @tab @dots{}an odd integer
3945 @item @code{prime}
3946 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3947 @item @code{relation}
3948 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3949 @item @code{relation_equal}
3950 @tab @dots{}a @code{==} relation
3951 @item @code{relation_not_equal}
3952 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3953 @item @code{relation_less}
3954 @tab @dots{}a @code{<} relation
3955 @item @code{relation_less_or_equal}
3956 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3957 @item @code{relation_greater}
3958 @tab @dots{}a @code{>} relation
3959 @item @code{relation_greater_or_equal}
3960 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3961 @item @code{symbol}
3962 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3963 @item @code{list}
3964 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3965 @item @code{polynomial}
3966 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3967 @item @code{integer_polynomial}
3968 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3969 @item @code{cinteger_polynomial}
3970 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3971 @item @code{rational_polynomial}
3972 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3973 @item @code{crational_polynomial}
3974 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3975 @item @code{rational_function}
3976 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3977 @item @code{algebraic}
3978 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3979 @end multitable
3980 @end cartouche
3981
3982 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3983 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3984 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3985 for an explanation of these.
3986
3987
3988 @subsection Accessing subexpressions
3989 @cindex container
3990
3991 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3992 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3993 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3994 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3995
3996 @cindex @code{nops()}
3997 @cindex @code{op()}
3998 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3999 use the two methods
4000
4001 @example
4002 size_t ex::nops();
4003 ex ex::op(size_t i);
4004 @end example
4005
4006 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4007 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4008 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4009 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4010 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4011 @math{i>0} are the indices.
4012
4013 @cindex iterators
4014 @cindex @code{const_iterator}
4015 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4016 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4017
4018 @example
4019 const_iterator ex::begin();
4020 const_iterator ex::end();
4021 @end example
4022
4023 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4024 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4025 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4026 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4027
4028 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4029 given expression in three different ways:
4030
4031 @example
4032 @{
4033     ex e = ...
4034
4035     // with nops()/op()
4036     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4037         cout << e.op(i) << endl;
4038
4039     // with iterators
4040     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4041         cout << *i << endl;
4042
4043     // with iterators and STL copy()
4044     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4045 @}
4046 @end example
4047
4048 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4049 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4050 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4051 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4052 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4053 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4054 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4055 methods
4056
4057 @example
4058 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4059 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4060 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4061 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4062 @end example
4063
4064 The following example illustrates the differences between
4065 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4066 @code{const_postorder_iterator}:
4067
4068 @example
4069 @{
4070     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4071     ex e = lst(lst(A, B), C);
4072
4073     std::copy(e.begin(), e.end(),
4074               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4075     // @{A,B@}
4076     // C
4077
4078     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4079               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4080     // @{@{A,B@},C@}
4081     // @{A,B@}
4082     // A
4083     // B
4084     // C
4085
4086     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4087               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4088     // A
4089     // B
4090     // @{A,B@}
4091     // C
4092     // @{@{A,B@},C@}
4093 @}
4094 @end example
4095
4096 @cindex @code{relational} (class)
4097 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4098 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4099 methods
4100
4101 @example
4102 ex ex::lhs();
4103 ex ex::rhs();
4104 @end example
4105
4106
4107 @subsection Comparing expressions
4108 @cindex @code{is_equal()}
4109 @cindex @code{is_zero()}
4110
4111 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4112 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4113 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4114 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4115 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4116 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4117 @code{false}.
4118
4119 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4120 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4121 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4122
4123 There are also two methods
4124
4125 @example
4126 bool ex::is_equal(const ex & other);
4127 bool ex::is_zero();
4128 @end example
4129
4130 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4131 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4132 @pxref{Matrices}. 
4133
4134
4135 @subsection Ordering expressions
4136 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4137 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4138 @cindex @code{compare()}
4139
4140 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4141 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4142 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4143 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4144
4145 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4146 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4147 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4148 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4149 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4150 yield @code{true}.
4151
4152 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4153 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4154 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4155 predicates to the STL:
4156
4157 @example
4158 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4159 public:
4160     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4161 @};
4162
4163 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4164 public:
4165     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4166 @};
4167 @end example
4168
4169 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4170 have to use
4171
4172 @example
4173 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4174 @end example
4175
4176 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4177 bugs because the map operates improperly.
4178
4179 Other examples for the use of the functors:
4180
4181 @example
4182 std::vector<ex> v;
4183 // fill vector
4184 ...
4185
4186 // sort vector
4187 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4188
4189 // count the number of expressions equal to '1'
4190 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4191                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4192 @end example
4193
4194 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4195
4196 @example
4197 int ex::compare(const ex & other) const;
4198 @end example
4199
4200 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4201 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4202 after @code{other}.
4203
4204
4205 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4206 @c    node-name, next, previous, up
4207 @section Numerical evaluation
4208 @cindex @code{evalf()}
4209
4210 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4211 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4212
4213 @example
4214 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4215 @end example
4216
4217 @cindex @code{Digits}
4218 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4219 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4220 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4221
4222 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4223 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4224
4225 @example
4226 @{
4227     // Approximate sin(x/Pi)
4228     symbol x("x");
4229     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4230
4231     // Evaluate numerically at x=0.1
4232     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4233
4234     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4235     if (is_a<numeric>(f)) @{
4236         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4237         cout << d << endl;
4238          // -> 0.0318256
4239     @} else
4240         // error
4241 @}
4242 @end example
4243
4244
4245 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4246 @c    node-name, next, previous, up
4247 @section Substituting expressions
4248 @cindex @code{subs()}
4249
4250 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4251 expressions via the @code{.subs()} method:
4252
4253 @example
4254 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4255 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4256 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4257 @end example
4258
4259 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4260 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4261
4262 @example
4263 @{
4264     symbol x("x"), y("y");
4265
4266     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4267     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4268      // -> 73
4269
4270     ex e2 = x*y + x;
4271     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4272      // -> -10
4273 @}
4274 @end example
4275
4276 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4277 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4278
4279 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4280 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4281 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4282 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4283 be substituted is large or unknown.
4284
4285 Using this form, the second example from above would look like this:
4286
4287 @example
4288 @{
4289     symbol x("x"), y("y");
4290     ex e2 = x*y + x;
4291
4292     exmap m;
4293     m[x] = -2;
4294     m[y] = 4;
4295     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4296 @}
4297 @end example
4298
4299 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4300 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4301 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4302
4303 @example
4304 @{
4305     symbol x("x"), y("y");
4306     ex e2 = x*y + x;
4307
4308     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4309 @}
4310 @end example
4311
4312 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4313 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4314 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4315 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4316 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4317 algebraic substitutions in products and powers.
4318 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4319 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4320 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4321 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4322 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4323 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4324
4325 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4326 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4327 following example:
4328
4329 @example
4330 @{
4331     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4332
4333     ex e1 = pow(x+y, 2);
4334     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4335      // -> 16
4336
4337     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4338     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4339      // -> cos(x)^2*sin(y)
4340
4341     ex e3 = x+y+z;
4342     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4343      // -> x+y+z
4344      // (and not 4+z as one might expect)
4345 @}
4346 @end example
4347
4348 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4349 next section.
4350
4351
4352 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4353 @c    node-name, next, previous, up
4354 @section Pattern matching and advanced substitutions
4355 @cindex @code{wildcard} (class)
4356 @cindex Pattern matching
4357
4358 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4359 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4360 substituting expressions in a more general way.
4361
4362 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4363 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4364 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4365 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4366 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4367 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4368 with the call
4369
4370 @example
4371 ex wild(unsigned label = 0);
4372 @end example
4373
4374 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4375 name.
4376
4377 Some examples for patterns:
4378
4379 @multitable @columnfractions .5 .5
4380 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4381 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4382 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4383 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4384 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4385 @end multitable
4386
4387 Notes:
4388
4389 @itemize @bullet
4390 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4391   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4392 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4393   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4394   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4395 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4396   possible to use them as placeholders for other properties like index
4397   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4398   etc.
4399 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4400   as part of noncommutative products.
4401 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4402   are also valid patterns.
4403 @end itemize
4404
4405 @subsection Matching expressions
4406 @cindex @code{match()}
4407 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4408 matches a given pattern. This is done by the function
4409
4410 @example
4411 bool ex::match(const ex & pattern);
4412 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4413 @end example
4414
4415 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4416 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4417 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4418 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4419 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4420
4421 The matching algorithm works as follows:
4422
4423 @itemize
4424 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4425   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4426   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4427   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4428 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4429   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4430   etc.).
4431 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4432   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4433 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4434   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4435   of the pattern.
4436 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4437   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4438 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4439   match the corresponding subexpression of the pattern.
4440 @end itemize
4441
4442 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4443 account for their commutativity and associativity:
4444
4445 @itemize
4446 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4447   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4448   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4449   way.
4450 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4451   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4452   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4453   further matches.
4454 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4455   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4456   which case this wildcard matches the remaining terms.
4457 @end itemize
4458
4459 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4460 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4461 ambiguous results.
4462
4463 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4464 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4465 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4466
4467 @example
4468 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4469 @{@}
4470 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4471 FAIL
4472 > match((x+y)^a,$1^$2);
4473 @{$1==x+y,$2==a@}
4474 > match((x+y)^a,$1^$1);
4475 FAIL
4476 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4477 @{$1==x+y@}
4478 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4479 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4480 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4481 @{$1==a@}
4482 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4483 @{$1==b,$2==c@}
4484   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4485 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4486   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4487    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4488    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4489    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4490    fail.)
4491 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4492   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4493    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4494 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4495 FAIL
4496 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4497 @{$0==a+e+b+f+d@}
4498 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4499 @{$0==a+b+f+d@}
4500 > match(a+b,a+b+$0);
4501 @{$0==0@}
4502 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4503 FAIL
4504   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4505    even though a==a^1.)
4506 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4507 @{$0==x@}
4508 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4509 @{$0==x^2@}
4510 @end example
4511
4512 @subsection Matching parts of expressions
4513 @cindex @code{has()}
4514 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4515 member function
4516
4517 @example
4518 bool ex::has(const ex & pattern);
4519 @end example
4520
4521 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4522 by any of its subexpressions.
4523
4524 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4525 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4526
4527 @example
4528 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4529 1
4530 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4531 0
4532   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4533    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4534 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4535 1
4536   (But this is possible.)
4537 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4538 0
4539   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4540    which "x+y" is not a subexpression.)
4541 > has(x+1,x^$1);
4542 0
4543   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4544    "x^something".)
4545 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4546 1
4547 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4548 0
4549   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4550    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4551    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4552 @end example
4553
4554 @cindex @code{find()}
4555 The method
4556
4557 @example
4558 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4559 @end example
4560
4561 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4562 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4563 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4564 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4565 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4566
4567 @example
4568 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4569 @{x@}
4570 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4571 @{@}
4572 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4573 @{x^3,x^2@}
4574   (Note the absence of "x".)
4575 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4576 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4577 > find(%,sin($1));
4578 @{sin(y),sin(x)@}
4579 @end example
4580
4581 @subsection Substituting expressions
4582 @cindex @code{subs()}
4583 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4584 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4585 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4586 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4587 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4588
4589 Some examples:
4590
4591 @example
4592 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4593 b^3+a^3+(x+y)^3
4594 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4595 b^4+a^4+(x+y)^4
4596 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4597 (a+b+c)^2
4598 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4599 (x+c)^2
4600 > subs(a+2*b,a+b==x);
4601 a+2*b
4602 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4603 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4604 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4605 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4606 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4607 cos(1+cos(x))
4608 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4609 a+b
4610 @end example
4611
4612 The last example would be written in C++ in this way:
4613
4614 @example
4615 @{
4616     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4617     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4618     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4619     cout << e.expand() << endl;
4620      // -> a+b
4621 @}
4622 @end example
4623
4624 @subsection The option algebraic
4625 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4626 extra options. This section describes what happens if you give the former
4627 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4628 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4629 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4630 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4631 If you use these options you will find that
4632 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4633 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4634 often as is possible without getting negative exponents. For example
4635 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4636 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4637 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4638 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4639
4640 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4641 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4642
4643
4644 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4645 @c    node-name, next, previous, up
4646 @section Applying a function on subexpressions
4647 @cindex tree traversal
4648 @cindex @code{map()}
4649
4650 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4651 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4652 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4653 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4654 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4655 to do this manually which usually results in code like this:
4656
4657 @example
4658 ex calc_trace(ex e)
4659 @{
4660     if (is_a<matrix>(e))
4661         return ex_to<matrix>(e).trace();
4662     else if (is_a<add>(e)) @{
4663         ex sum = 0;
4664         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4665             sum += calc_trace(e.op(i));
4666         return sum;
4667     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4668         ...
4669     @} else @{
4670         ...
4671     @}
4672 @}
4673 @end example
4674
4675 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4676 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4677 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4678 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4679 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4680
4681 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4682 operations:
4683
4684 @example
4685 ex ex::map(map_function & f) const;
4686 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4687 @end example
4688
4689 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4690 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4691 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4692 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4693 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4694 non-recursively.
4695
4696 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4697 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4698 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4699 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4700 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4701
4702 @example
4703 struct calc_trace : public map_function @{
4704     ex operator()(const ex &e)
4705     @{
4706         if (is_a<matrix>(e))
4707             return ex_to<matrix>(e).trace();
4708         else if (is_a<mul>(e)) @{
4709             ...
4710         @} else
4711             return e.map(*this);
4712     @}
4713 @};
4714 @end example
4715
4716 This function object could then be used like this:
4717
4718 @example
4719 @{
4720     ex M = ... // expression with matrices
4721     calc_trace do_trace;
4722     ex tr = do_trace(M);
4723 @}
4724 @end example
4725
4726 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4727 terms in a variable from an expanded polynomial:
4728
4729 @example
4730 struct map_rem_quad : public map_function @{
4731     ex var;
4732     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4733
4734     ex operator()(const ex & e)
4735     @{
4736         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4737             return e.map(*this);
4738         else if (is_a<power>(e) && 
4739                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4740             return 0;
4741         else
4742             return e;
4743     @}
4744 @};
4745
4746 ...
4747
4748 @{
4749     symbol x("x"), y("y");
4750
4751     ex e;
4752     for (int i=0; i<8; i++)
4753         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4754     cout << e << endl;
4755      // -> 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
4756
4757     map_rem_quad rem_quad(x);
4758     cout << rem_quad(e) << endl;
4759      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4760 @}
4761 @end example
4762
4763 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4764 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4765 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4766 acts as the placeholder for the operands:
4767
4768 @example
4769 > map(a*b,sin($0));
4770 sin(a)*sin(b)
4771 > map(a+2*b,sin($0));
4772 sin(a)+sin(2*b)
4773 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4774 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4775 @end example
4776
4777 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4778 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4779 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4780
4781 @example
4782 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4783 @{0,0,0@}
4784   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4785   to "map(@{a,b,c@},0)".
4786 @end example
4787
4788
4789 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4790 @c    node-name, next, previous, up
4791 @section Visitors and tree traversal
4792 @cindex tree traversal
4793 @cindex @code{visitor} (class)
4794 @cindex @code{accept()}
4795 @cindex @code{visit()}
4796 @cindex @code{traverse()}
4797 @cindex @code{traverse_preorder()}
4798 @cindex @code{traverse_postorder()}
4799
4800 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4801 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4802 indices with variance you always want the covariant version returned.
4803
4804 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4805 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4806 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4807 with variance, one for plain ones).
4808
4809 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4810 such as the following:
4811
4812 @example
4813 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4814 @{
4815     if (is_a<varidx>(e)) @{
4816         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4817         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4818     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4819         l.append(e);
4820     @} else @{
4821         size_t n = e.nops();
4822         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4823             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4824     @}
4825 @}
4826
4827 lst gather_indices(const ex & e)
4828 @{
4829     lst l;
4830     gather_indices_helper(e, l);
4831     l.sort();
4832     l.unique();
4833     return l;
4834 @}
4835 @end example
4836
4837 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4838 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4839 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4840
4841 @example
4842     if (is_a<idx>(e)) @{
4843       ...
4844     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4845       ...
4846 @end example
4847
4848 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4849 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4850 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4851 executed.
4852
4853 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4854 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4855 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4856 write a function that required a different implementation for nearly
4857 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4858
4859 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4860 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4861 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4862 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4863 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4864 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4865 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4866 presented this would be impractical.
4867
4868 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4869 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4870 variation, described in detail in
4871 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4872 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4873 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4874 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4875 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4876 object that @code{accept()} was being invoked on.
4877
4878 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4879 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4880 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4881 each class.
4882
4883 A call of
4884
4885 @example
4886 void ex::accept(visitor & v) const;
4887 @end example
4888
4889 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4890 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4891 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4892
4893 Here is an example of a visitor:
4894
4895 @example
4896 class my_visitor
4897  : public visitor,          // this is required
4898    public add::visitor,     // visit add objects
4899    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4900    public basic::visitor    // visit basic objects
4901 @{
4902     void visit(const add & x)
4903     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4904
4905     void visit(const numeric & x)
4906     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4907
4908     void visit(const basic & x)
4909     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4910 @};
4911 @end example
4912
4913 which can be used as follows:
4914
4915 @example
4916 ...
4917     symbol x("x");
4918     ex e1 = 42;
4919     ex e2 = 4*x-3;
4920     ex e3 = 8*x;
4921
4922     my_visitor v;
4923     e1.accept(v);
4924      // prints "called with a numeric object"
4925     e2.accept(v);
4926      // prints "called with an add object"
4927     e3.accept(v);
4928      // prints "called with a basic object"
4929 ...
4930 @end example
4931
4932 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4933 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4934
4935 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4936 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4937 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4938 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4939 hierarchies of visitors.
4940
4941 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4942
4943 @example
4944 class gather_indices_visitor
4945  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4946 @{
4947     lst l;
4948
4949     void visit(const idx & i)
4950     @{
4951         l.append(i);
4952     @}
4953
4954     void visit(const varidx & vi)
4955     @{
4956         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4957     @}
4958
4959 public:
4960     const lst & get_result() // utility function
4961     @{
4962         l.sort();
4963         l.unique();
4964         return l;
4965     @}
4966 @};
4967 @end example
4968
4969 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4970 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4971
4972 @example
4973 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4974 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4975 void ex::traverse(visitor & v) const;
4976 @end example
4977
4978 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4979 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4980 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4981 @code{traverse_preorder()}.
4982
4983 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4984 and @code{traverse()}:
4985
4986 @example
4987 lst gather_indices(const ex & e)
4988 @{
4989     gather_indices_visitor v;
4990     e.traverse(v);
4991     return v.get_result();
4992 @}
4993 @end example
4994
4995 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4996 traversal:
4997
4998 @example
4999 lst gather_indices(const ex & e)
5000 @{
5001     gather_indices_visitor v;
5002     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5003          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5004         i->accept(v);
5005     @}
5006     return v.get_result();
5007 @}
5008 @end example
5009
5010
5011 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5012 @c    node-name, next, previous, up
5013 @section Polynomial arithmetic
5014
5015 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5016 @cindex @code{is_polynomial()}
5017
5018 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5019 can be done with the method
5020 @example
5021 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5022 @end example
5023 In the case of more than
5024 one variable, the variables are given as a list.
5025
5026 @example
5027 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5028 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5029 @end example
5030
5031 @subsection Expanding and collecting
5032 @cindex @code{expand()}
5033 @cindex @code{collect()}
5034 @cindex @code{collect_common_factors()}
5035
5036 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5037 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5038 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5039 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5040 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5041 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5042 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5043 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5044 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5045 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5046 x*z}.
5047
5048 To bring an expression into expanded form, its method
5049
5050 @example
5051 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5052 @end example
5053
5054 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5055 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5056 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5057 orderings of terms in such sums!
5058
5059 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5060 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5061 being polynomials in the remaining variables.  The method
5062 @code{collect()} accomplishes this task:
5063
5064 @example
5065 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5066 @end example
5067
5068 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5069 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5070 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5071 by the @code{distributed} flag.
5072
5073 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5074 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5075 coefficients properly.
5076
5077 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5078 together with @code{find()}:
5079
5080 @example
5081 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5082 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)
5083 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5084 > collect(a,@{p,q@});
5085 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5086 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5087 > collect(a,find(a,sin($1)));
5088 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5089 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5090 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5091 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5092 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5093 @end example
5094
5095 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5096 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5097
5098 @example
5099 ex collect_common_factors(const ex & e);
5100 @end example
5101
5102 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5103 factors which are already explicitly present:
5104
5105 @example
5106 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5107 (x+y)*a
5108 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5109 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5110 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5111 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5112 @end example
5113
5114 @subsection Degree and coefficients
5115 @cindex @code{degree()}
5116 @cindex @code{ldegree()}
5117 @cindex @code{coeff()}
5118
5119 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5120 methods
5121
5122 @example
5123 int ex::degree(const ex & s);
5124 int ex::ldegree(const ex & s);
5125 @end example
5126
5127 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5128 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5129 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5130 an expanded polynomial you use
5131
5132 @example
5133 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5134 @end example
5135
5136 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5137
5138 @example
5139 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5140 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5141 @end example
5142
5143 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5144 respectively.
5145
5146 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5147 polynomial is analyzed:
5148
5149 @example
5150 @{
5151     symbol x("x"), y("y");
5152     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5153                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5154     ex Poly = PolyInp.expand();
5155     
5156     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5157         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5158              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5159     @}
5160     cout << "As polynomial in y: " 
5161          << Poly.collect(y) << endl;
5162 @}
5163 @end example
5164
5165 When run, it returns an output in the following fashion:
5166
5167 @example
5168 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5169 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5170 The x^2-coefficient is -1
5171 The x^3-coefficient is 4*y
5172 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5173 @end example
5174
5175 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5176 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5177 within the user's sphere of influence.
5178
5179 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5180 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5181 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5182 constants, functions and indexed objects as well:
5183
5184 @example
5185 @{
5186     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5187     idx i(symbol("i"), 3);
5188
5189     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5190     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5191      // -> 4
5192     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5193      // -> -4*cos(x)
5194
5195     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5196     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5197     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5198      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5199 @}
5200 @end example
5201
5202
5203 @subsection Polynomial division
5204 @cindex polynomial division
5205 @cindex quotient
5206 @cindex remainder
5207 @cindex pseudo-remainder
5208 @cindex @code{quo()}
5209 @cindex @code{rem()}
5210 @cindex @code{prem()}
5211 @cindex @code{divide()}
5212
5213 The two functions
5214
5215 @example
5216 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5217 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5218 @end example
5219
5220 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5221 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5222
5223 The additional function
5224
5225 @example
5226 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5227 @end example
5228
5229 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5230 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5231
5232 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5233
5234 @example
5235 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5236 @end example
5237
5238 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5239 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5240 in which case the value of @code{q} is undefined.
5241
5242
5243 @subsection Unit, content and primitive part
5244 @cindex @code{unit()}
5245 @cindex @code{content()}
5246 @cindex @code{primpart()}
5247 @cindex @code{unitcontprim()}
5248
5249 The methods
5250
5251 @example
5252 ex ex::unit(const ex & x);
5253 ex ex::content(const ex & x);
5254 ex ex::primpart(const ex & x);
5255 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5256 @end example
5257
5258 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5259 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5260 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5261 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5262 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5263 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5264 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5265 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5266
5267 Additionally, the method
5268
5269 @example
5270 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5271 @end example
5272
5273 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5274 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5275
5276
5277 @subsection GCD, LCM and resultant
5278 @cindex GCD
5279 @cindex LCM
5280 @cindex @code{gcd()}
5281 @cindex @code{lcm()}
5282
5283 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5284 multiple have the synopsis
5285
5286 @example
5287 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5288 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5289 @end example
5290
5291 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5292 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5293 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5294 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5295 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5296 the coefficients must be rationals.
5297
5298 @example
5299 #include <ginac/ginac.h>
5300 using namespace GiNaC;
5301
5302 int main()
5303 @{
5304     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5305     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5306     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5307
5308     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5309     // x + 5*y + 4*z
5310     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5311     // 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
5312 @}
5313 @end example
5314
5315 @cindex resultant
5316 @cindex @code{resultant()}
5317
5318 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5319 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5320 expressions. The function has the interface
5321
5322 @example
5323 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5324 @end example
5325
5326 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5327 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5328 @code{y}, respectively:
5329
5330 @example
5331 #include <ginac/ginac.h>
5332 using namespace GiNaC;
5333
5334 int main()
5335 @{
5336     symbol x("x"), y("y");
5337
5338     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5339     ex r;
5340     
5341     r = resultant(e1, e2, x); 
5342     // -> 1+2*y^6
5343     r = resultant(e1, e2, y); 
5344     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5345 @}
5346 @end example
5347
5348 @subsection Square-free decomposition
5349 @cindex square-free decomposition
5350 @cindex factorization
5351 @cindex @code{sqrfree()}
5352
5353 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5354 @example
5355 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5356 @end example
5357 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5358 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5359 some care with subsequent processing of the result:
5360 @example
5361     ...
5362     symbol x("x"), y("y");
5363     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5364
5365     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5366      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5367
5368     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5369      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5370
5371     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5372      // -> depending on luck, any of the above
5373     ...
5374 @end example
5375 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5376 with this method.
5377
5378 @subsection Polynomial factorization
5379 @cindex factorization
5380 @cindex polynomial factorization
5381 @cindex @code{factor()}
5382
5383 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5384 @example
5385 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5386 @end example
5387 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5388 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5389 @example
5390     ...
5391     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5392      // -> (1+x)*(-1+x)
5393     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5394      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5395     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5396      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5397     ...
5398 @end example
5399 The results are as expected except for the last one where no factorization
5400 seems to have been done. This is due to the default option
5401 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5402 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5403 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5404
5405 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5406 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5407 arguments. With this option the example gives:
5408 @example
5409     ...
5410     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5411          << endl;
5412      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5413     ...
5414 @end example
5415 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5416 the following example does not factor:
5417 @example
5418     ...
5419     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5420      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5421     ...
5422 @end example
5423 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5424 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5425 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5426 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5427 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5428 cheaper and more appropriate alternative.
5429
5430 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5431 @c    node-name, next, previous, up
5432 @section Rational expressions
5433
5434 @subsection The @code{normal} method
5435 @cindex @code{normal()}
5436 @cindex simplification
5437 @cindex temporary replacement
5438
5439 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5440 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5441 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5442 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5443 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5444 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5445
5446 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5447 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5448 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5449 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5450 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5451 @code{.to_rational()}, described below.
5452
5453 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5454 simplified in this little code snippet:
5455
5456 @example
5457 @{
5458     symbol x("x");
5459     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5460     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5461     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5462     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5463 @}
5464 @end example
5465
5466 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5467 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5468 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5469
5470
5471 @subsection Numerator and denominator
5472 @cindex numerator
5473 @cindex denominator
5474 @cindex @code{numer()}
5475 @cindex @code{denom()}
5476 @cindex @code{numer_denom()}
5477
5478 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5479
5480 @example
5481 ex ex::numer();
5482 ex ex::denom();
5483 ex ex::numer_denom();
5484 @end example
5485
5486 These functions will first normalize the expression as described above and
5487 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5488 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5489 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5490
5491
5492 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5493 @cindex @code{to_polynomial()}
5494 @cindex @code{to_rational()}
5495
5496 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5497 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5498 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5499 above. You do this by calling
5500
5501 @example
5502 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5503 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5504 @end example
5505 or
5506 @example
5507 ex ex::to_rational(exmap & m);
5508 ex ex::to_rational(lst & l);
5509 @end example
5510
5511 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5512 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5513 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5514 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5515 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5516 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5517
5518 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5519 is probably best illustrated with an example:
5520
5521 @example
5522 @{
5523     symbol x("x"), y("y");
5524     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5525     cout << a << endl;
5526
5527     lst lp;
5528     ex p = a.to_polynomial(lp);
5529     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5530      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5531      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5532
5533     lst lr;
5534     ex r = a.to_rational(lr);
5535     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5536      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5537      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5538 @}
5539 @end example
5540
5541 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5542
5543 @example
5544 @{
5545     symbol x("x");
5546     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5547     ex b = sin(x) + cos(x);
5548     ex q;
5549     exmap m;
5550     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5551     cout << q.subs(m) << endl;
5552 @}
5553 @end example
5554
5555
5556 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5557 @c    node-name, next, previous, up
5558 @section Symbolic differentiation
5559 @cindex differentiation
5560 @cindex @code{diff()}
5561 @cindex chain rule
5562 @cindex product rule
5563
5564 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5565 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5566 the derivatives of all the monomials:
5567
5568 @example
5569 @{
5570     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5571     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5572
5573     cout << P.diff(x,2) << endl;
5574      // -> 20*x^3 + 2
5575     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5576      // -> 1
5577     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5578      // -> 0
5579 @}
5580 @end example
5581
5582 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5583 returns the @var{n}th derivative.
5584
5585 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5586 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5587 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5588 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5589 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5590 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5591 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5592 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5593 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5594 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5595 lines:
5596
5597 @cindex Euler numbers
5598 @example
5599 #include <ginac/ginac.h>
5600 using namespace GiNaC;
5601
5602 ex EulerNumber(unsigned n)
5603 @{
5604     symbol x;
5605     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5606     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5607 @}
5608
5609 int main()
5610 @{
5611     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5612         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5613     return 0;
5614 @}
5615 @end example
5616
5617 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5618 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5619 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5620
5621
5622 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5623 @c    node-name, next, previous, up
5624 @section Series expansion
5625 @cindex @code{series()}
5626 @cindex Taylor expansion
5627 @cindex Laurent expansion
5628 @cindex @code{pseries} (class)
5629 @cindex @code{Order()}
5630
5631 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5632 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5633 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5634 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5635 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5636 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5637 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5638 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5639 term).  A sample application from special relativity could read:
5640
5641 @example
5642 #include <ginac/ginac.h>
5643 using namespace std;
5644 using namespace GiNaC;
5645
5646 int main()
5647 @{
5648     symbol v("v"), c("c");
5649     
5650     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5651     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5652     
5653     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5654          << mass_nonrel << endl;
5655     
5656     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5657          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5658 @}
5659 @end example
5660
5661 Only calling the series method makes the last output simplify to
5662 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5663 series raised to the power @math{-2}.
5664
5665 @cindex Machin's formula
5666 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5667 value of Archimedes' constant
5668 @tex
5669 $\pi$
5670 @end tex
5671 @ifnottex
5672 @math{Pi}
5673 @end ifnottex
5674 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5675 using John Machin's amazing formula
5676 @tex
5677 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5678 @end tex
5679 @ifnottex
5680 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5681 @end ifnottex
5682 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5683 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5684 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5685 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5686 order term with it and the question arises what the system is supposed
5687 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5688 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5689 term off:
5690
5691 @example
5692 #include <ginac/ginac.h>
5693 using namespace GiNaC;
5694
5695 ex machin_pi(int degr)
5696 @{
5697     symbol x;
5698     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5699     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5700                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5701     return pi_approx;
5702 @}
5703
5704 int main()
5705 @{
5706     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5707     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5708     ex pi_frac;
5709     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5710         pi_frac = machin_pi(i);
5711         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5712              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5713     @}
5714     return 0;
5715 @}
5716 @end example
5717
5718 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5719 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5720 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5721 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5722 program, it will type out:
5723
5724 @example
5725 2:      3804/1195
5726         3.1832635983263598326
5727 4:      5359397032/1706489875
5728         3.1405970293260603143
5729 6:      38279241713339684/12184551018734375
5730         3.141621029325034425
5731 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5732         3.141591772182177295
5733 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5734         3.1415926824043995174
5735 @end example
5736
5737
5738 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5739 @c    node-name, next, previous, up
5740 @section Symmetrization
5741 @cindex @code{symmetrize()}
5742 @cindex @code{antisymmetrize()}
5743 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5744
5745 The three methods
5746
5747 @example
5748 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5749 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5750 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5751 @end example
5752
5753 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5754 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5755 weighted by the number of permutations.
5756
5757 The three additional methods
5758
5759 @example
5760 ex ex::symmetrize();
5761 ex ex::antisymmetrize();
5762 ex ex::symmetrize_cyclic();
5763 @end example
5764
5765 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5766
5767 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5768 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5769
5770 @example
5771 @{
5772     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5773     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5774                                            
5775     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5776      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5777     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5778      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5779     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5780      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5781 @}
5782 @end example
5783
5784 @page
5785
5786 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5787 @c    node-name, next, previous, up
5788 @section Predefined mathematical functions
5789 @c
5790 @subsection Overview
5791
5792 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5793
5794 @cartouche
5795 @multitable @columnfractions .30 .70
5796 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5797 @item @code{abs(x)}
5798 @tab absolute value
5799 @cindex @code{abs()}
5800 @item @code{step(x)}
5801 @tab step function
5802 @cindex @code{step()}
5803 @item @code{csgn(x)}
5804 @tab complex sign
5805 @cindex @code{conjugate()}
5806 @item @code{conjugate(x)}
5807 @tab complex conjugation
5808 @cindex @code{real_part()}
5809 @item @code{real_part(x)}
5810 @tab real part
5811 @cindex @code{imag_part()}
5812 @item @code{imag_part(x)}
5813 @tab imaginary part
5814 @item @code{sqrt(x)}
5815 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5816 @cindex @code{sqrt()}
5817 @item @code{sin(x)}
5818 @tab sine
5819 @cindex @code{sin()}
5820 @item @code{cos(x)}
5821 @tab cosine
5822 @cindex @code{cos()}
5823 @item @code{tan(x)}
5824 @tab tangent
5825 @cindex @code{tan()}
5826 @item @code{asin(x)}
5827 @tab inverse sine
5828 @cindex @code{asin()}
5829 @item @code{acos(x)}
5830 @tab inverse cosine
5831 @cindex @code{acos()}
5832 @item @code{atan(x)}
5833 @tab inverse tangent
5834 @cindex @code{atan()}
5835 @item @code{atan2(y, x)}
5836 @tab inverse tangent with two arguments
5837 @item @code{sinh(x)}
5838 @tab hyperbolic sine
5839 @cindex @code{sinh()}
5840 @item @code{cosh(x)}
5841 @tab hyperbolic cosine
5842 @cindex @code{cosh()}
5843 @item @code{tanh(x)}
5844 @tab hyperbolic tangent
5845 @cindex @code{tanh()}
5846 @item @code{asinh(x)}
5847 @tab inverse hyperbolic sine
5848 @cindex @code{asinh()}
5849 @item @code{acosh(x)}
5850 @tab inverse hyperbolic cosine
5851 @cindex @code{acosh()}
5852 @item @code{atanh(x)}
5853 @tab inverse hyperbolic tangent
5854 @cindex @code{atanh()}
5855 @item @code{exp(x)}
5856 @tab exponential function
5857 @cindex @code{exp()}
5858 @item @code{log(x)}
5859 @tab natural logarithm
5860 @cindex @code{log()}
5861 @item @code{Li2(x)}
5862 @tab dilogarithm
5863 @cindex @code{Li2()}
5864 @item @code{Li(m, x)}
5865 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5866 @cindex @code{Li()}
5867 @item @code{G(a, y)}
5868 @tab multiple polylogarithm
5869 @cindex @code{G()}
5870 @item @code{G(a, s, y)}
5871 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5872 @cindex @code{G()}
5873 @item @code{S(n, p, x)}
5874 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5875 @cindex @code{S()}
5876 @item @code{H(m, x)}
5877 @tab harmonic polylogarithm
5878 @cindex @code{H()}
5879 @item @code{zeta(m)}
5880 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5881 @cindex @code{zeta()}
5882 @item @code{zeta(m, s)}
5883 @tab alternating Euler sum
5884 @cindex @code{zeta()}
5885 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5886 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5887 @item @code{tgamma(x)}
5888 @tab gamma function
5889 @cindex @code{tgamma()}
5890 @cindex gamma function
5891 @item @code{lgamma(x)}
5892 @tab logarithm of gamma function
5893 @cindex @code{lgamma()}
5894 @item @code{beta(x, y)}
5895 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5896 @cindex @code{beta()}
5897 @item @code{psi(x)}
5898 @tab psi (digamma) function
5899 @cindex @code{psi()}
5900 @item @code{psi(n, x)}
5901 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5902 @item @code{factorial(n)}
5903 @tab factorial function @math{n!}
5904 @cindex @code{factorial()}
5905 @item @code{binomial(n, k)}
5906 @tab binomial coefficients
5907 @cindex @code{binomial()}
5908 @item @code{Order(x)}
5909 @tab order term function in truncated power series
5910 @cindex @code{Order()}
5911 @end multitable
5912 @end cartouche
5913
5914 @cindex branch cut
5915 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5916 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5917 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5918 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5919 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5920 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5921 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5922 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5923 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5924 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5925 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5926 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5927 counter clockwise direction.
5928
5929 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5930 @c    node-name, next, previous, up
5931 @subsection Multiple polylogarithms
5932
5933 @cindex polylogarithm
5934 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5935 @cindex harmonic polylogarithm
5936 @cindex multiple zeta value
5937 @cindex alternating Euler sum
5938 @cindex multiple polylogarithm
5939
5940 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5941 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5942 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5943 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5944 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5945 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5946 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5947 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5948 notations are more natural to the series representation or the integral
5949 representation, respectively.
5950
5951 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5952 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5953 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5954
5955 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5956 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5957 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5958 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5959 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5960 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5961 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5962 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5963 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5964 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5965 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5966
5967 The functions print in LaTeX format as
5968 @tex
5969 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5970 @end tex
5971 @tex
5972 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5973 @end tex
5974 @tex
5975 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5976 @end tex
5977 @tex
5978 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5979 @end tex
5980 @ifnottex
5981 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
5982 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
5983 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
5984 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
5985 @end ifnottex
5986 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5987 are printed with a line above, e.g.
5988 @tex
5989 $\zeta(5,\overline{2})$.
5990 @end tex
5991 @ifnottex
5992 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
5993 @end ifnottex
5994 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5995
5996 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5997 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5998 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5999 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6000
6001 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6002 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6003 the series representation. This means
6004 @tex
6005 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6006 @end tex
6007 @tex
6008 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6009 @end tex
6010 @tex
6011 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6012 @end tex
6013 @ifnottex
6014 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6015 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6016 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6017 @end ifnottex
6018 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6019 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6020
6021 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6022 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6023 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6024 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6025 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6026 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
6027 @tex
6028 $\zeta(\overline{3},4)$
6029 @end tex
6030 @ifnottex
6031 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6032 @end ifnottex
6033 and
6034 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
6035 @tex
6036 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6037 @end tex
6038 @ifnottex
6039 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6040 @end ifnottex
6041 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6042 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6043 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
6044 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6045 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6046 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6047 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6048
6049 @example
6050 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6051 S(2,2,x)
6052 > H(@{-3,2@},1);
6053 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6054 > S(3,1,1);
6055 1/90*Pi^4
6056 @end example
6057
6058 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6059 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6060 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6061 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6062 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6063 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6064
6065 @example
6066 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6067 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6068 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6069 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6070 @end example
6071
6072 Every function can be numerically evaluated for
6073 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6074 global variable @code{Digits}:
6075
6076 @example
6077 > Digits=100;
6078 100
6079 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6080 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6081 @end example
6082
6083 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6084 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6085
6086 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6087 unevaluated, e.g.
6088 @tex
6089 $\zeta(1)$.
6090 @end tex
6091 @ifnottex
6092 @command{zeta(1)}.
6093 @end ifnottex
6094 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6095 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6096 cancellations of divergencies happen.
6097
6098 Useful publications:
6099
6100 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6101 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6102
6103 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6104 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6105
6106 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6107 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6108
6109 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6110 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6111
6112 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6113 @c    node-name, next, previous, up
6114 @section Complex expressions
6115 @c
6116 @cindex @code{conjugate()}
6117
6118 For dealing with complex expressions there are the methods
6119
6120 @example
6121 ex ex::conjugate();
6122 ex ex::real_part();
6123 ex ex::imag_part();
6124 @end example
6125
6126 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6127 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6128 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6129 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6130 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6131 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6132 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6133 (symbols are complex by default), one could not simplify
6134 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6135 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6136
6137 For example,
6138 @example
6139 @{
6140     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6141     symbol x("x");
6142     realsymbol y("y");
6143                                            
6144     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6145      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6146     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6147      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6148 @}
6149 @end example
6150
6151 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6152 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6153 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6154 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6155 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6156 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6157 parts of user-defined functions.
6158
6159 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6160 @c    node-name, next, previous, up
6161 @section Solving linear systems of equations
6162 @cindex @code{lsolve()}
6163
6164 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6165 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6166 needs to be solved:
6167
6168 @example
6169 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6170           unsigned options = solve_algo::automatic);
6171 @end example
6172
6173 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6174 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6175 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6176 @code{lst}).
6177
6178 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6179 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6180
6181 @example
6182 @{
6183     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6184     lst eqns, vars;
6185     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6186     vars = x, y;
6187     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6188      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6189 @end example
6190
6191 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6192 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6193 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6194 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6195 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6196 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6197 around that method.
6198
6199
6200 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6201 @c    node-name, next, previous, up
6202 @section Input and output of expressions
6203 @cindex I/O
6204
6205 @subsection Expression output
6206 @cindex printing
6207 @cindex output of expressions
6208
6209 Expressions can simply be written to any stream:
6210
6211 @example
6212 @{
6213     symbol x("x");
6214     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6215     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6216     // ...
6217 @end example
6218
6219 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6220 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6221 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6222 is printed as @samp{x^2}).
6223
6224 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6225 a set of stream manipulators;
6226
6227 @example
6228 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6229 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6230 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6231 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6232 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6233 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6234 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6235 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6236 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6237 @end example
6238
6239 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6240 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6241 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6242
6243 @cindex @code{dflt}
6244 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6245 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6246
6247 @example
6248     // ...
6249     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6250                               // now on
6251     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6252     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6253     cout << dflt;             // revert to default output format
6254     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6255     // ...
6256 @end example
6257
6258 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6259 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6260
6261 @example
6262     // ...
6263     ostringstream s;
6264     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6265     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6266     // ...
6267 @end example
6268
6269 @anchor{csrc printing}
6270 @cindex @code{csrc}
6271 @cindex @code{csrc_float}
6272 @cindex @code{csrc_double}
6273 @cindex @code{csrc_cl_N}
6274 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6275 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6276 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6277 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6278 classes provided by the CLN library):
6279
6280 @example
6281     // ...
6282     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6283     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6284     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6285     // ...
6286 @end example
6287
6288 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6289 @code{x*x}):
6290
6291 @example
6292 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6293 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6294 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6295 @end example
6296
6297 @cindex @code{tree}
6298 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6299 expression for debugging purposes:
6300
6301 @example
6302     // ...
6303     cout << tree << e;
6304 @}
6305 @end example
6306
6307 produces
6308
6309 @example
6310 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6311     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6312         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6313         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6314     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6315     -----
6316     overall_coeff
6317     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6318     =====
6319 @end example
6320
6321 @cindex @code{latex}
6322 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6323 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6324 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6325 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6326 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6327 constructor.
6328
6329 For example, the code snippet
6330
6331 @example
6332 @{
6333     symbol x("x", "\\circ");
6334     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6335     cout << latex << e << endl;
6336 @}
6337 @end example
6338
6339 will print
6340
6341 @example
6342     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6343     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6344 @end example
6345
6346 @cindex @code{index_dimensions}
6347 @cindex @code{no_index_dimensions}
6348 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6349 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6350 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6351 formats:
6352
6353 @example
6354 @{
6355     symbol x("x"), y("y");
6356     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6357     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6358
6359     cout << e << endl;
6360      // prints 'x~mu*y~nu'
6361     cout << index_dimensions << e << endl;
6362      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6363     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6364      // prints 'x~mu*y~nu'
6365 @}
6366 @end example
6367
6368
6369 @cindex Tree traversal
6370 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6371 with other algebra systems or for producing code for different
6372 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6373
6374 @example
6375 static void my_print(const ex & e)
6376 @{
6377     if (is_a<function>(e))
6378         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6379     else
6380         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6381     cout << "(";
6382     size_t n = e.nops();
6383     if (n)
6384         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6385             my_print(e.op(i));
6386             if (i != n-1)
6387                 cout << ",";
6388         @}
6389     else
6390         cout << e;
6391     cout << ")";
6392 @}
6393
6394 int main()
6395 @{
6396     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6397     return 0;
6398 @}
6399 @end example
6400
6401 This will produce
6402
6403 @example
6404 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6405 symbol(y))),numeric(-2)))
6406 @end example
6407
6408 If you need an output format that makes it possible to accurately
6409 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6410 object factory, you should consider storing the expression in an
6411 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6412 See the section on archiving for more information.
6413
6414
6415 @subsection Expression input
6416 @cindex input of expressions
6417
6418 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6419 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6420 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6421 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6422 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6423
6424 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6425 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6426
6427 @example
6428 @{
6429     symbol x, y;
6430     symtab table;
6431     table["x"] = x;
6432     table["y"] = y;
6433     parser reader(table);
6434     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6435 @}
6436 @end example
6437
6438 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6439 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6440 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6441 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6442 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6443 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6444
6445 @example
6446 @{
6447     symbol x, y;
6448     symtab table;
6449     table["x"] = x+log(y)+1;
6450     parser reader(table);
6451     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6452     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 + (x+log(y)+1)^2
6453 @}
6454 @end example
6455
6456 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6457 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6458 with @code{get_syms()} method:
6459
6460 @example
6461 @{
6462     parser reader;
6463     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6464     symtab table = reader.get_syms();
6465     symbol x = reader["x"];
6466     symbol y = reader["y"];
6467 @}
6468 @end example
6469
6470 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6471 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6472
6473 @example
6474 @{
6475         symtab table;
6476         table["x"] = symbol();
6477         parser reader(table);
6478         parser.strict = true;
6479         ex e;
6480         try @{
6481                 e = reader("2*x+sin(y)");
6482         @} catch (parse_error& err) @{
6483                 cerr << err.what() << endl;
6484                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6485         @}
6486 @}
6487 @end example
6488
6489 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6490
6491 @example
6492 #include <iostream>
6493 #include <string>
6494 #include <stdexcept>
6495 #include <ginac/ginac.h>
6496 using namespace std;
6497 using namespace GiNaC;
6498
6499 int main()
6500 @{
6501         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6502         parser reader;
6503
6504         try @{
6505                 ex e = reader(cin);
6506                 symtab table = reader.get_syms();
6507                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6508                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6509                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6510                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6511         @} catch (exception &p) @{
6512                 cerr << p.what() << endl;
6513         @}
6514 @}
6515 @end example
6516
6517 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6518 @cindex compiling expressions
6519
6520 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6521 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6522 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6523 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6524 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6525 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6526 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6527 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6528 the numerical evaluation into different execution stages.
6529
6530 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6531 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6532 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6533 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6534 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6535 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6536
6537 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6538
6539 @example
6540     // ...
6541     symbol x("x");
6542     ex myexpr = sin(x) / x;
6543
6544     FUNCP_1P fp;
6545     compile_ex(myexpr, x, fp);
6546
6547     cout << fp(3.2) << endl;
6548     // ...
6549 @end example
6550
6551 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6552 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6553 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6554 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6555
6556 @cindex FUNCP_1P
6557 @cindex FUNCP_2P
6558 @cindex FUNCP_CUBA
6559 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6560 pointer types at the moment:
6561
6562 @example
6563     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6564     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6565     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6566 @end example
6567
6568 @cindex CUBA library
6569 @cindex Monte Carlo integration
6570 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6571 the correct type to be used with the CUBA library
6572 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6573 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6574
6575 @cindex compile_ex
6576 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6577
6578 @example
6579     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6580                     const std::string filename = "");
6581     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6582                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6583     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6584                     const std::string filename = "");
6585 @end example
6586
6587 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6588 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6589 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6590 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6591 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6592 deleted.
6593
6594 @cindex link_ex
6595 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6596 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6597 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6598 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6599 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6600 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6601 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6602
6603 @example
6604     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6605     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6606     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6607 @end example
6608
6609 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6610 to be supplied.
6611
6612 The function
6613
6614 @cindex unlink_ex
6615 @example
6616     void unlink_ex(const std::string filename);
6617 @end example
6618
6619 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6620 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6621 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6622 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6623
6624 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6625 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6626 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6627 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6628 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6629 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6630 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6631 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6632
6633 @cindex ginac-excompiler
6634 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6635 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6636 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6637 directory.
6638
6639 @subsection Archiving
6640 @cindex @code{archive} (class)
6641 @cindex archiving
6642
6643 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6644 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6645 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6646 expression a unique name:
6647
6648 @example
6649 #include <fstream>
6650 using namespace std;
6651 #include <ginac/ginac.h>
6652 using namespace GiNaC;
6653
6654 int main()
6655 @{
6656     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6657
6658     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6659     ex bar = foo + 1;
6660
6661     archive a;
6662     a.archive_ex(foo, "foo");
6663     a.archive_ex(bar, "the second one");
6664     // ...
6665 @end example
6666
6667 The archive can then be written to a file:
6668
6669 @example
6670     // ...
6671     ofstream out("foobar.gar");
6672     out << a;
6673     out.close();
6674     // ...
6675 @end example
6676
6677 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6678 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6679
6680 @cindex @command{viewgar}
6681 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6682 the contents of GiNaC archive files:
6683
6684 @example
6685 $ viewgar foobar.gar
6686 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6687 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6688 @end example
6689
6690 The point of writing archive files is of course that they can later be
6691 read in again:
6692
6693 @example
6694     // ...
6695     archive a2;
6696     ifstream in("foobar.gar");
6697     in >> a2;
6698     // ...
6699 @end example
6700
6701 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6702
6703 @example
6704     // ...
6705     lst syms;
6706     syms = x, y;
6707
6708     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6709     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6710
6711     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6712     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6713     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6714 @}
6715 @end example
6716
6717 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6718 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6719 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6720 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6721 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6722 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6723 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6724 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6725
6726 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6727 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6728 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6729 functions that let you access the stored properties:
6730
6731 @example
6732 static void my_print2(const archive_node & n)
6733 @{
6734     string class_name;
6735     n.find_string("class", class_name);
6736     cout << class_name << "(";
6737
6738     archive_node::propinfovector p;
6739     n.get_properties(p);
6740
6741     size_t num = p.size();
6742     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6743         const string &name = p[i].name;
6744         if (name == "class")
6745             continue;
6746         cout << name << "=";
6747
6748         unsigned count = p[i].count;
6749         if (count > 1)
6750             cout << "@{";
6751
6752         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6753             switch (p[i].type) @{
6754                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6755                     bool x;
6756                     n.find_bool(name, x, j);
6757                     cout << (x ? "true" : "false");
6758                     break;
6759                 @}
6760                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6761                     unsigned x;
6762                     n.find_unsigned(name, x, j);
6763                     cout << x;
6764                     break;
6765                 @}
6766                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6767                     string x;
6768                     n.find_string(name, x, j);
6769                     cout << '\"' << x << '\"';
6770                     break;
6771                 @}
6772                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6773                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6774                     my_print2(x);
6775                     break;
6776                 @}
6777             @}
6778
6779             if (j != count-1)
6780                 cout << ",";
6781         @}
6782
6783         if (count > 1)
6784             cout << "@}";
6785
6786         if (i != num-1)
6787             cout << ",";
6788     @}
6789
6790     cout << ")";
6791 @}
6792
6793 int main()
6794 @{
6795     ex e = pow(2, x) - y;
6796     archive ar(e, "e");
6797     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6798     return 0;
6799 @}
6800 @end example
6801
6802 This will produce:
6803
6804 @example
6805 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6806 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6807 overall_coeff=numeric(number="0"))
6808 @end example
6809
6810 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6811 class may change between GiNaC versions.
6812
6813
6814 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6815 @c    node-name, next, previous, up
6816 @chapter Extending GiNaC
6817
6818 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6819 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6820 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6821 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6822 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6823 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6824
6825 @menu
6826 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6827 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6828 * Printing::                         Adding new output formats.
6829 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6830 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6831 @end menu
6832
6833
6834 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6835 @c    node-name, next, previous, up
6836 @section What doesn't belong into GiNaC
6837
6838 @cindex @command{ginsh}
6839 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6840 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6841 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6842 language.  There are no loops or conditional expressions in
6843 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6844 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6845 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6846 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6847 the future.
6848
6849 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6850 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6851 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6852 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6853 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6854 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6855 provided by CLN are much better suited.
6856
6857
6858 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6859 @c    node-name, next, previous, up
6860 @section Symbolic functions
6861
6862 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6863 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6864 two preprocessor macros:
6865
6866 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6867 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6868 @example
6869 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6870 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6871 @end example
6872
6873 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6874 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6875 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6876 @code{function} object that represents your function.
6877
6878 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6879 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6880 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6881 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6882 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6883 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6884 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6885 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6886
6887 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6888 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6889 done our best to avoid macros where we can.)
6890
6891 @subsection A minimal example
6892
6893 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6894 that is not further evaluated:
6895
6896 @example
6897 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6898
6899 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6900 @end example
6901
6902 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6903 in algebraic expressions:
6904
6905 @example
6906 @{
6907     ...
6908     symbol x("x");
6909     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6910     cout << e << endl;
6911      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6912     ...
6913 @}
6914 @end example
6915
6916 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6917 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6918 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6919 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6920
6921 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6922 example of how to make an "intelligent" function.
6923
6924 @subsection The cosine function
6925
6926 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6927
6928 @example
6929 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6930 @end example
6931
6932 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6933 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6934 this function in expressions.
6935
6936 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6937 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6938
6939 @example
6940 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6941                        evalf_func(cos_evalf).
6942                        derivative_func(cos_deriv).
6943                        latex_name("\\cos"));
6944 @end example
6945
6946 There are four options defined for the cosine function. One of them
6947 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6948 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6949 function are defined.
6950
6951 @cindex @code{hold()}
6952 @cindex evaluation
6953 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6954 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6955 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6956 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6957 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6958 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6959 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6960 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6961 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6962 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6963 somewhere.
6964
6965 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6966 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6967 what is going on):
6968
6969 @example
6970 static ex cos_eval(const ex & x)
6971 @{
6972     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6973         return 1;
6974     else if ("x is a multiple of Pi")
6975         return -1;
6976     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6977         return 0;
6978     // more rules...
6979
6980     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6981         return y;
6982     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6983         return sqrt(1-y^2);
6984     // more rules...
6985
6986     else
6987         return cos(x).hold();
6988 @}
6989 @end example
6990
6991 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6992
6993 @example
6994 @{
6995     ...
6996     e = cos(Pi);
6997      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6998      // the actual expression
6999     cout << e << endl;
7000      // prints '-1'
7001     ...
7002 @}
7003 @end example
7004
7005 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7006 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7007 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7008 with @code{.hold()}.
7009
7010 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7011 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7012 different function:
7013
7014 @example
7015 static ex cos_evalf(const ex & x)
7016 @{
7017     if (is_a<numeric>(x))
7018         return cos(ex_to<numeric>(x));
7019     else
7020         return cos(x).hold();
7021 @}
7022 @end example
7023
7024 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7025 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7026 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7027 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7028 function would require it in this place.
7029
7030 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7031 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7032 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7033 @code{ex::diff}):
7034
7035 @example
7036 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7037 @{
7038     return -sin(x);
7039 @}
7040 @end example
7041
7042 @cindex product rule
7043 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7044 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7045 case the function has more than one parameter, and its main application
7046 is for correct handling of the chain rule.
7047
7048 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7049 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7050 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7051 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7052
7053 @example
7054 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7055                      int order, unsigned options)
7056 @{
7057     // Find the actual expansion point
7058     const ex x_pt = x.subs(rel);
7059
7060     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7061         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7062
7063     // On a pole, expand sin()/cos()
7064     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7065 @}
7066 @end example
7067
7068 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7069 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7070
7071 @subsection Function options
7072
7073 GiNaC functions understand several more options which are always
7074 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7075 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7076 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7077 functions without any special options.
7078
7079 @example
7080 eval_func(<C++ function>)
7081 evalf_func(<C++ function>)
7082 derivative_func(<C++ function>)
7083 series_func(<C++ function>)
7084 conjugate_func(<C++ function>)
7085 @end example
7086
7087 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7088 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
7089 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
7090 @code{diff()} and @code{series()}.
7091
7092 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7093 automatic evaluation is desired or possible.
7094
7095 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7096 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7097 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7098 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7099 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7100 suitable transformation.
7101
7102 @example
7103 latex_name(const string & n)
7104 @end example
7105
7106 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7107 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7108
7109 @example
7110 do_not_evalf_params()
7111 @end example
7112
7113 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7114 function before calling the @code{evalf_func()}.
7115
7116 @example
7117 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7118 @end example
7119
7120 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7121 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7122 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7123 @code{return_type_t} created like
7124
7125 @example
7126 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7127 @end example
7128
7129 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7130 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7131 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7132 @code{make_return_type_t<>()} 
7133
7134 @example
7135 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7136 @end example
7137
7138 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7139 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7140 details).
7141
7142 @example
7143 set_symmetry(const symmetry & s)
7144 @end example
7145
7146 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7147 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7148 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7149 symmetric functions into a canonical order.
7150
7151 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7152 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7153 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7154 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7155 with the
7156
7157 @example
7158 print_func<C>(<C++ function>)
7159 @end example
7160
7161 option which is explained in the next section.
7162
7163 @subsection Functions with a variable number of arguments
7164
7165 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7166 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7167 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7168 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7169 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7170
7171 It is also possible to define functions that accept a different number of
7172 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7173 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7174 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7175 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7176 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7177 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7178 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7179 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7180
7181
7182 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7183 @c    node-name, next, previous, up
7184 @section GiNaC's expression output system
7185
7186 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7187 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7188 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7189 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7190 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7191 functions.
7192
7193 @cindex @code{print_context} (class)
7194 @cindex @code{print_dflt} (class)
7195 @cindex @code{print_latex} (class)
7196 @cindex @code{print_tree} (class)
7197 @cindex @code{print_csrc} (class)
7198 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7199 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7200 header file:
7201
7202 @table @code
7203 @item print_dflt
7204 the default output format
7205 @item print_latex
7206 output in LaTeX mathematical mode
7207 @item print_tree
7208 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7209 @item print_csrc
7210 the base class for C source output
7211 @item print_csrc_float
7212 C source output using the @code{float} type
7213 @item print_csrc_double
7214 C source output using the @code{double} type
7215 @item print_csrc_cl_N
7216 C source output using CLN types
7217 @end table
7218
7219 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7220
7221 @example
7222 class print_context
7223 @{
7224     ...
7225 public:
7226     std::ostream & s;
7227     unsigned options;
7228 @};
7229 @end example
7230
7231 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7232 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7233 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7234 to print the index dimension which is normally hidden.
7235
7236 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7237 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7238 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7239 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7240
7241 @cindex @code{print()}
7242 @example
7243 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7244 @end example
7245
7246 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7247 top-level algebraic object contained in the expression.
7248
7249 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7250 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7251 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7252 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7253 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7254 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7255 (single) virtual function dispatch.
7256
7257 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7258 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7259 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7260 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7261 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7262 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7263 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7264 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7265 object's class name enclosed in square brackets).
7266
7267 You can think of the print methods of all the different classes and output
7268 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7269 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7270 classes.
7271
7272 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7273 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7274 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7275 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7276 methods at run-time).
7277
7278 @subsection Print methods for classes
7279
7280 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7281 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7282 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7283 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7284 can also be used to override existing methods dynamically.
7285
7286 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7287 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7288 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7289 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7290 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7291 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7292 the class is the one being implemented by
7293 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7294
7295 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7296 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7297 @code{unsigned}.
7298
7299 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7300 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7301 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7302 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7303 private and protected members of @code{T}.
7304
7305 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7306 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7307 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7308 purposes if you write your own output formats.
7309
7310 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7311 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7312 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7313 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7314
7315 @example
7316 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7317                              const print_latex & c,
7318                              unsigned level)
7319 @{
7320     // get the precedence of the 'power' class
7321     unsigned power_prec = p.precedence();
7322
7323     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7324     // we need parentheses around the power
7325     if (level >= power_prec)
7326         c.s << '(';
7327
7328     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7329     // separated by an uparrow
7330     c.s << '@{';
7331     p.op(0).print(c, power_prec);
7332     c.s << "@}\\uparrow@{";
7333     p.op(1).print(c, power_prec);
7334     c.s << '@}';
7335
7336     // don't forget the closing parenthesis
7337     if (level >= power_prec)
7338         c.s << ')';
7339 @}
7340                                                                                 
7341 int main()
7342 @{
7343     // a sample expression
7344     symbol x("x"), y("y");
7345     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7346
7347     // switch to LaTeX mode
7348     cout << latex;
7349
7350     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7351     cout << e << endl;
7352
7353     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7354     // our own one
7355     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7356
7357     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7358     //              \uparrow@{2@}@}"
7359     cout << e << endl;
7360 @}
7361 @end example
7362
7363 Some notes:
7364
7365 @itemize
7366
7367 @item
7368 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7369 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7370
7371 @item
7372 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7373 @code{power} objects for the purpose of printing.
7374
7375 @item
7376 The output of products including negative powers as fractions is also
7377 controlled by the @code{mul} class.
7378
7379 @item
7380 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7381 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7382
7383 @end itemize
7384
7385 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7386 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7387 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7388 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7389 sources, find the method that is installed at startup
7390 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7391 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7392
7393 @subsection Print methods for functions
7394
7395 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7396 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7397 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7398 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7399 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7400
7401 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7402
7403 @example
7404 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7405 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7406                                                                                 
7407 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7408 @{
7409     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7410 @}
7411                                                                                 
7412 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7413 @{
7414     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7415 @}
7416                                                                                 
7417 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7418                        evalf_func(abs_evalf).
7419                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7420                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7421                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7422 @end example
7423
7424 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7425 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7426
7427 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7428
7429 @subsection Adding new output formats
7430
7431 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7432 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7433 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7434 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7435 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7436 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7437 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7438 options value.
7439
7440 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7441
7442 @example
7443 class print_myformat : public print_dflt
7444 @{
7445     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7446 public:
7447     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7448      : print_dflt(os, opt) @{@}
7449 @};
7450
7451 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7452
7453 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7454 @end example
7455
7456 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7457 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7458 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7459 format are implemented as print methods, as described above.
7460
7461 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7462 exactly like GiNaC's default output format:
7463
7464 @example
7465 @{
7466     symbol x("x");
7467     ex e = pow(x, 2) + 1;
7468
7469     // this prints "1+x^2"
7470     cout << e << endl;
7471     
7472     // this also prints "1+x^2"
7473     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7474
7475     ...
7476 @}
7477 @end example
7478
7479 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7480 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7481
7482 @example
7483 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7484 // example above for explanations.
7485 void print_power_as_myformat(const power & p,
7486                              const print_myformat & c,
7487                              unsigned level)
7488 @{
7489     unsigned power_prec = p.precedence();
7490     if (level >= power_prec)
7491         c.s << '(';
7492     p.op(0).print(c, power_prec);
7493     c.s << "**";
7494     p.op(1).print(c, power_prec);
7495     if (level >= power_prec)
7496         c.s << ')';
7497 @}
7498
7499 @{
7500     ...
7501     // install a new print method for power objects
7502     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7503
7504     // now this prints "1+x**2"
7505     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7506
7507     // but the default format is still "1+x^2"
7508     cout << e << endl;
7509 @}
7510 @end example
7511
7512
7513 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7514 @c    node-name, next, previous, up
7515 @section Structures
7516
7517 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7518 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7519 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7520 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7521 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7522
7523 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7524 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7525 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7526 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7527 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7528 read both sections because many common concepts and member functions are
7529 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7530 is most suited to your needs.
7531
7532 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7533 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7534 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7535
7536 @subsection Example: scalar products
7537
7538 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7539 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7540 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7541 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7542 product in a C++ @code{struct}:
7543
7544 @example
7545 #include <iostream>
7546 using namespace std;
7547
7548 #include <ginac/ginac.h>
7549 using namespace GiNaC;
7550
7551 struct sprod_s @{
7552     ex left, right;
7553
7554     sprod_s() @{@}
7555     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7556 @};
7557 @end example
7558
7559 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7560 data structure, we need only one line:
7561
7562 @example
7563 typedef structure<sprod_s> sprod;
7564 @end example
7565
7566 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7567 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7568 expressions like any other GiNaC class:
7569
7570 @example
7571 ...
7572     symbol a("a"), b("b");
7573     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7574 ...
7575 @end example
7576
7577 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7578 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7579 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7580 constructed from an @code{sprod_s} object.
7581
7582 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7583 you could define a little wrapper function like this:
7584
7585 @example
7586 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7587 @{
7588     return sprod(sprod_s(left, right));
7589 @}
7590 @end example
7591
7592 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7593 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7594 @code{get_struct()}:
7595
7596 @example
7597 ...
7598     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7599      // -> a
7600     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7601      // -> b
7602 ...
7603 @end example
7604
7605 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7606
7607 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7608 that deal with scalar products, for example:
7609
7610 @example
7611 ex swap_sprod(ex p)
7612 @{
7613     if (is_a<sprod>(p)) @{
7614         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7615         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7616     @} else
7617         return p;
7618 @}
7619
7620 ...
7621     f = swap_sprod(e);
7622      // f is now <b|a>
7623 ...
7624 @end example
7625
7626 @subsection Structure output
7627
7628 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7629 desired, most notably proper output:
7630
7631 @example
7632 ...
7633     cout << e << endl;
7634      // -> [structure object]
7635 ...
7636 @end example
7637
7638 By default, any structure types you define will be printed as
7639 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7640 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7641 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7642 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7643 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7644 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7645
7646 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7647 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7648
7649 @example
7650 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7651 @{
7652     // tree debug output handled by superclass
7653     if (is_a<print_tree>(c))
7654         inherited::print(c, level);
7655
7656     // get the contained sprod_s object
7657     const sprod_s & sp = get_struct();
7658
7659     // print_context::s is a reference to an ostream
7660     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7661 @}
7662 @end example
7663
7664 Now we can print expressions containing scalar products:
7665
7666 @example
7667 ...
7668     cout << e << endl;
7669      // -> <a|b>
7670     cout << swap_sprod(e) << endl;
7671      // -> <b|a>
7672 ...
7673 @end example
7674
7675 @subsection Comparing structures
7676
7677 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7678 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7679 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7680 and undesired behavior:
7681
7682 @example
7683 ...
7684     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7685      // -> 0
7686     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7687      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7688 ...
7689 @end example
7690
7691 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7692 for objects of type @code{sprod_s}:
7693
7694 @example
7695 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7696 @{
7697     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7698 @}
7699
7700 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7701 @{
7702     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7703            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7704 @}
7705 @end example
7706
7707 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7708 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7709 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7710 in the implementation of these operators because they would construct
7711 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7712 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7713 decide which one is algebraically 'less').
7714
7715 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7716 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7717
7718 @example
7719 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7720 @end example
7721
7722 @code{sprod} objects then behave as expected:
7723
7724 @example
7725 ...
7726     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7727      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7728     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7729      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7730     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7731      // -> 0
7732     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7733      // -> 2*<a|b>
7734 ...
7735 @end example
7736
7737 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7738 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7739 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7740 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7741 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7742 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7743
7744 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7745 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7746 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7747 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7748 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7749 undefined value) that the @code{T} class might have.
7750
7751 @subsection Subexpressions
7752
7753 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7754 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7755 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7756
7757 @example
7758 size_t sprod::nops() const
7759 @{
7760     return 2;
7761 @}
7762
7763 ex sprod::op(size_t i) const
7764 @{
7765     switch (i) @{
7766     case 0:
7767         return get_struct().left;
7768     case 1:
7769         return get_struct().right;
7770     default:
7771         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7772     @}
7773 @}
7774 @end example
7775
7776 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7777 @code{sprod} has two other nice side effects:
7778
7779 @itemize @bullet
7780 @item
7781 @code{has()} works as expected
7782 @item
7783 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7784 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7785 @end itemize
7786
7787 @cindex @code{let_op()}
7788 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7789 allows replacing subexpressions:
7790
7791 @example
7792 ex & sprod::let_op(size_t i)
7793 @{
7794     // every non-const member function must call this
7795     ensure_if_modifiable();
7796
7797     switch (i) @{
7798     case 0:
7799         return get_struct().left;
7800     case 1:
7801         return get_struct().right;
7802     default:
7803         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7804     @}
7805 @}
7806 @end example
7807
7808 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7809 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7810 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7811 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7812
7813 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7814 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7815 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7816 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7817 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7818 This is left as an exercise for the reader.
7819
7820 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7821 you can override by specialization to customize the behavior of your
7822 structures. You are referred to the next section for a description of
7823 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7824 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7825 @code{structure<T>} template: archiving.
7826
7827 @subsection Archiving structures
7828
7829 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7830 should first read the next section and then come back here. You're back?
7831 Good.
7832
7833 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7834 specializations for the @code{archive()} member function and the
7835 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7836 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7837 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7838 the class of an object is stored as a string, the class name.
7839
7840 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7841 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7842 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7843 need to provide a different name for each by specializing the
7844 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7845 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7846
7847 @example
7848 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7849
7850 void sprod::archive(archive_node & n) const
7851 @{
7852     inherited::archive(n);
7853     n.add_ex("left", get_struct().left);
7854     n.add_ex("right", get_struct().right);
7855 @}
7856
7857 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7858 @{
7859     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7860     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7861 @}
7862 @end example
7863
7864 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7865 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7866 @code{sprod::unarchive()} function.
7867
7868
7869 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7870 @c    node-name, next, previous, up
7871 @section Adding classes
7872
7873 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7874 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7875 severe of which being that you can't add any new member functions to
7876 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7877 from scratch.
7878
7879 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7880 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7881 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7882 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7883 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7884 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7885 representing tensor products is more involved but this section should give
7886 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7887 classes if you want to implement something more complicated.
7888
7889 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7890
7891 @cindex hierarchy of classes
7892 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7893 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7894 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
7895 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
7896 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
7897 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
7898 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
7899 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
7900 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
7901 in @file{registrar.h}):
7902 @itemize @bullet
7903 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
7904 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7905 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
7906 @end itemize
7907
7908 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
7909 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
7910 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
7911 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
7912 the opening brace of the class definition.
7913
7914 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
7915 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
7916 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
7917 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
7918 the source (at global scope, of course, not inside a function).
7919
7920 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
7921 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
7922 options, such as custom printing functions.
7923
7924 @subsection A minimalistic example
7925
7926 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7927 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7928 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7929 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7930 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
7931 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
7932
7933 The code snippets given here assume that you have included some header files
7934 as follows:
7935
7936 @example
7937 #include <iostream>
7938 #include <string>   
7939 #include <stdexcept>
7940 using namespace std;
7941
7942 #include <ginac/ginac.h>
7943 using namespace GiNaC;
7944 @end example
7945
7946 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7947 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7948 object from a string:
7949
7950 @example
7951 class mystring : public basic
7952 @{
7953     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7954   
7955 public:
7956     mystring(const string & s);
7957
7958 private:
7959     string str;
7960 @};
7961
7962 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7963 @end example
7964
7965 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
7966 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
7967 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
7968 of a class so that printing and (un)archiving works.
7969
7970 Now there are three member functions we have to implement to get a working
7971 class:
7972
7973 @itemize
7974
7975 @item
7976 @code{mystring()}, the default constructor.
7977
7978 @item
7979 @cindex @code{compare_same_type()}
7980 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
7981 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7982 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7983 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7984 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7985 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7986 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7987 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7988 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7989 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7990 defined.
7991
7992 @item
7993 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
7994 we declared.
7995
7996 @end itemize
7997
7998 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7999
8000 @example
8001 mystring::mystring() @{ @}
8002 @end example
8003
8004 In the default constructor you should set all other member variables to
8005 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8006 member gets set to an empty string automatically).
8007
8008 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8009 the string members:
8010
8011 @example
8012 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8013 @{
8014     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8015     int cmpval = str.compare(o.str);
8016     if (cmpval == 0)
8017         return 0;
8018     else if (cmpval < 0)
8019         return -1;
8020     else
8021         return 1;
8022 @}
8023 @end example
8024
8025 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8026 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8027 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8028 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8029 all relevant member variables.
8030
8031 Now the only thing missing is our constructor:
8032
8033 @example
8034 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8035 @end example
8036
8037 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8038
8039 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8040 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8041
8042 @example
8043 ex e = mystring("Hello, world!");
8044 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8045  // -> 1 (true)
8046
8047 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8048  // -> mystring
8049 @end example
8050
8051 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8052
8053 @example
8054 cout << e << endl;
8055  // -> [mystring object]
8056 @end example
8057
8058 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8059 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8060 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8061 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8062 surrounded by double quotes:
8063
8064 @example
8065 class mystring : public basic
8066 @{
8067     ...
8068 protected:
8069     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8070     ...
8071 @};
8072
8073 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8074 @{
8075     // print_context::s is a reference to an ostream
8076     c.s << '\"' << str << '\"';
8077 @}
8078 @end example
8079
8080 The @code{level} argument is only required for container classes to
8081 correctly parenthesize the output.
8082
8083 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8084 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8085 replace the line
8086
8087 @example
8088 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8089 @end example
8090
8091 with
8092
8093 @example
8094 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8095   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8096 @end example
8097
8098 Let's try again to print the expression:
8099
8100 @example
8101 cout << e << endl;
8102  // -> "Hello, world!"
8103 @end example
8104
8105 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8106 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8107 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8108 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8109 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8110 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8111 way expression output is implemented in GiNaC.
8112
8113 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8114
8115 @example
8116 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8117 cout << e << endl;
8118  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8119 @end example
8120
8121 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8122
8123 @example
8124 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8125 cout << e << endl;
8126  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8127 @end example
8128
8129 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8130 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8131 for your objects.
8132
8133 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8134
8135 @example
8136 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8137 cout << e << endl;
8138  // -> "Wow"^2
8139
8140 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8141 cout << e.expand() << endl;
8142  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8143 @end example
8144
8145 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8146 concatenation. You would have to implement this yourself.
8147
8148 @subsection Automatic evaluation
8149
8150 @cindex evaluation
8151 @cindex @code{eval()}
8152 @cindex @code{hold()}
8153 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8154 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8155 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8156 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8157 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8158 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8159
8160 @example
8161 class mystring : public basic
8162 @{
8163     ...
8164 public:
8165     ex eval(int level = 0) const;
8166     ...
8167 @};
8168
8169 ex mystring::eval(int level) const
8170 @{
8171     string new_str;
8172     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8173         char c = str[i];
8174         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8175             new_str += tolower(c);
8176         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8177             new_str += c;
8178     @}
8179
8180     if (new_str.length() == 0)
8181         return 0;
8182     else
8183         return mystring(new_str).hold();
8184 @}
8185 @end example
8186
8187 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8188 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8189 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8190 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8191 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8192 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8193 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8194 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8195
8196 Let's confirm that it works:
8197
8198 @example
8199 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8200 cout << e << endl;
8201  // -> "helloworld"
8202
8203 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8204 cout << e << endl;
8205  // -> 3*"wow"
8206 @end example
8207
8208 @subsection Optional member functions
8209
8210 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8211 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8212 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8213
8214 @cindex @code{calchash()}
8215 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8216 @example
8217 unsigned calchash() const;
8218 bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
8219 @end example
8220
8221 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8222 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8223 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8224 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8225 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8226 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8227
8228 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8229 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8230 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8231 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8232
8233 @subsection Other member functions
8234
8235 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8236 might want to provide:
8237
8238 @example
8239 bool info(unsigned inf) const;
8240 ex evalf(int level = 0) const;
8241 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8242 ex derivative(const symbol & s) const;
8243 @end example
8244
8245 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8246 previous section) you will probably want to override
8247
8248 @cindex @code{let_op()}
8249 @example
8250 size_t nops() cont;
8251 ex op(size_t i) const;
8252 ex & let_op(size_t i);
8253 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8254 ex map(map_function & f) const;
8255 @end example
8256
8257 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8258 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8259 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8260
8261 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8262 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8263 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8264 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8265 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8266 should become a need.
8267
8268 That's it. May the source be with you!
8269
8270 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8271
8272 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8273 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8274 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8275
8276 @example
8277 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8278 @end example
8279
8280 needs to be rewritten as
8281
8282 @example
8283 myclass::myclass() @{@}
8284 @end example
8285
8286 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8287 @c    node-name, next, previous, up
8288 @chapter A Comparison With Other CAS
8289 @cindex advocacy
8290
8291 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8292 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8293 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8294 disadvantages over these systems.
8295
8296 @menu
8297 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8298 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8299 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8300 @end menu
8301
8302 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8303 @c    node-name, next, previous, up
8304 @section Advantages
8305
8306 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8307 Algebra Systems, like 
8308
8309 @itemize @bullet
8310
8311 @item
8312 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8313 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8314 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8315 in common C++, which is standardized.
8316
8317 @cindex STL
8318 @item
8319 structured data types: you can build up structured data types using
8320 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8321 using unnamed lists of lists of lists.
8322
8323 @item
8324 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8325 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8326 nice for novice programmers, but dangerous.
8327     
8328 @item
8329 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8330 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8331 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8332
8333 @item
8334 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8335 separating interface and implementation.
8336
8337 @item
8338 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8339 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8340 C++-compilers for free, too.
8341     
8342 @item
8343 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8344 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8345 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8346 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8347 fix bugs in a traditional system.
8348
8349 @item
8350 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8351 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8352 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8353 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8354 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8355 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8356 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8357 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8358 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8359 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8360 FTP-site.
8361
8362 @item
8363 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8364 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8365 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8366 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8367 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8368 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8369 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8370 system (i.e. @emph{Yacas}).
8371
8372 @item
8373 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8374 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8375 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8376 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8377 speed with other CAS.
8378
8379 @end itemize
8380
8381
8382 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8383 @c    node-name, next, previous, up
8384 @section Disadvantages
8385
8386 Of course it also has some disadvantages:
8387
8388 @itemize @bullet
8389
8390 @item
8391 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8392 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8393 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8394 respect to mathematical features.  Integration, 
8395 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8396 not planned for the near future).
8397
8398 @item
8399 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8400 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8401 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8402 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8403 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8404 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8405 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8406 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8407 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8408 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8409 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8410 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8411 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8412 yet ANSI compliant, support all needed features.
8413     
8414 @end itemize
8415
8416
8417 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8418 @c    node-name, next, previous, up
8419 @section Why C++?
8420
8421 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8422 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8423 possible), separation between interface and implementation is not
8424 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8425 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8426 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8427 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8428 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8429 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8430 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8431 any other programming language.
8432
8433
8434 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8435 @c    node-name, next, previous, up
8436 @appendix Internal structures
8437
8438 @menu
8439 * Expressions are reference counted::
8440 * Internal representation of products and sums::
8441 @end menu
8442
8443 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8444 @c    node-name, next, previous, up
8445 @appendixsection Expressions are reference counted
8446
8447 @cindex reference counting
8448 @cindex copy-on-write
8449 @cindex garbage collection
8450 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8451 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8452 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8453 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8454 skip the rest of this passage.
8455
8456 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8457 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8458 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8459 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8460 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8461 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8462 of code:
8463
8464 @example
8465 #include <iostream>
8466 #include <ginac/ginac.h>
8467 using namespace std;
8468 using namespace GiNaC;
8469
8470 int main()
8471 @{
8472     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8473     ex e1, e2;
8474
8475     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8476     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8477     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8478     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8479     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8480 @}
8481 @end example
8482
8483 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8484 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8485 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8486 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8487 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8488 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8489 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8490 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8491 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8492 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8493 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8494 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8495 can be:
8496
8497 @example
8498 @{
8499     symbol x("x"), y("y");
8500
8501     ex e1 = x + 3*y;
8502     ex e2 = pow(e1, 3);
8503     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8504     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8505          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8506          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8507 @}
8508 @end example
8509
8510 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8511 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8512 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8513 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8514 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8515 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8516 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8517 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8518 @code{3*e1^2}.
8519
8520 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8521 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8522 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8523 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8524 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8525 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8526 semantics, we recommend you have a look at the
8527 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8528 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8529 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8530
8531
8532 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8533 @c    node-name, next, previous, up
8534 @appendixsection Internal representation of products and sums
8535
8536 @cindex representation
8537 @cindex @code{add}
8538 @cindex @code{mul}
8539 @cindex @code{power}
8540 Although it should be completely transparent for the user of
8541 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8542 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8543 unexpanded symbolic expression 
8544 @tex
8545 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8546 @end tex
8547 @ifnottex
8548 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8549 @end ifnottex
8550 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8551 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8552 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8553 fashion:
8554
8555 @ifnotinfo
8556 @image{repnaive}
8557 @end ifnotinfo
8558 @ifinfo
8559 <PICTURE MISSING>
8560 @end ifinfo
8561
8562 @cindex pair-wise representation
8563 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8564 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8565 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8566 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8567 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8568 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8569 becomes much more flat:
8570
8571 @ifnotinfo
8572 @image{reppair}
8573 @end ifnotinfo
8574 @ifinfo
8575 <PICTURE MISSING>
8576 @end ifinfo
8577
8578 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8579 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8580 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8581 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8582 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8583 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8584 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8585 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8586 representation, however, since they are still carrying a trivial
8587 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8588 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8589 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8590 representation for
8591 @tex
8592 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8593 @end tex
8594 @ifnottex
8595 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8596 @end ifnottex
8597
8598 @ifnotinfo
8599 @image{repreal}
8600 @end ifnotinfo
8601 @ifinfo
8602 <PICTURE MISSING>
8603 @end ifinfo
8604
8605 @cindex radical
8606 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8607 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8608 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8609 same abstract class: the data representation is the same, only the
8610 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8611 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8612 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8613
8614
8615 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8616 @c    node-name, next, previous, up
8617 @appendix Package tools
8618
8619 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8620 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8621 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8622 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8623 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8624 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8625 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8626 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8627 @example
8628 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8629 @end example
8630
8631 This command line might expand to (for example):
8632 @example
8633 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8634 @end example
8635
8636 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8637 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8638
8639 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8640 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8641 checking for libraries
8642
8643 @example
8644 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8645                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8646                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8647 @end example
8648
8649 This macro:
8650
8651 @itemize @bullet
8652
8653 @item
8654 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8655 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8656 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8657
8658 @item
8659 Tests the installed libraries to make sure that their version
8660 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8661
8662 @item
8663 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8664 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8665 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8666 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8667 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8668
8669 @item
8670 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8671
8672 @end itemize
8673
8674 @menu
8675 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8676 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8677 @end menu
8678
8679
8680 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8681 @c    node-name, next, previous, up
8682 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8683
8684 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8685 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8686 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8687 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8688 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8689
8690 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8691 system.
8692
8693 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8694 the linkers where to find the library one should
8695
8696 @itemize @bullet
8697 @item
8698 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8699 @example
8700 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8701 # ldconfig
8702 @end example
8703
8704 @item
8705 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8706 @example
8707 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8708 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8709 @end example
8710
8711 @item
8712 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8713 for instance:
8714
8715 @example
8716 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8717 @end example
8718 @end itemize
8719
8720 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8721 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8722 @example
8723 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8724 @end example
8725
8726 Finally, run the @command{configure} script
8727 @example
8728 $ ./configure 
8729 @end example
8730
8731 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8732
8733 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8734 @c    node-name, next, previous, up
8735 @subsection Example of a package using GiNaC
8736
8737 The following shows how to build a simple package using automake
8738 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8739
8740 @example
8741 #include <iostream>
8742 #include <ginac/ginac.h>
8743
8744 int main()
8745 @{
8746     GiNaC::symbol x("x");
8747     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8748     std::cout << "Derivative of " << a 
8749               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8750     return 0;
8751 @}
8752 @end example
8753
8754 You should first read the introductory portions of the automake
8755 Manual, if you are not already familiar with it.
8756
8757 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8758 configure script:
8759
8760 @example
8761 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8762 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8763 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8764 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8765
8766 AC_PROG_CXX
8767 AC_PROG_INSTALL
8768 AC_LANG([C++])
8769
8770 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8771
8772 AC_OUTPUT(Makefile)
8773 @end example
8774
8775 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8776 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8777 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8778 @example
8779 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8780
8781 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8782
8783 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8784 installed software in a non-standard prefix.
8785
8786 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8787 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8788 See the pkg-config man page for more details.
8789 @end example
8790
8791 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8792
8793 @example
8794 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8795 bin_PROGRAMS = simple
8796 simple_SOURCES = simple.cpp
8797 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8798 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8799 @end example
8800
8801 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8802 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8803 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8804 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8805 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8806 basis.
8807
8808 To try this example out, create a new directory and add the three
8809 files above to it.
8810
8811 Now execute the following command:
8812
8813 @example
8814 $ autoreconf -i
8815 @end example
8816
8817 You now have a package that can be built in the normal fashion
8818
8819 @example
8820 $ ./configure
8821 $ make
8822 $ make install
8823 @end example
8824
8825
8826 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8827 @c    node-name, next, previous, up
8828 @appendix Bibliography
8829
8830 @itemize @minus{}
8831
8832 @item
8833 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8834
8835 @item
8836 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8837
8838 @item
8839 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8840
8841 @item
8842 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8843
8844 @item
8845 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8846 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8847
8848 @item
8849 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8850 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8851 Academic Press, London
8852
8853 @item
8854 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8855 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8856
8857 @item
8858 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8859 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8860
8861 @item
8862 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8863 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8864
8865 @item
8866 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8867
8868 @end itemize
8869
8870
8871 @node Concept index, , Bibliography, Top
8872 @c    node-name, next, previous, up
8873 @unnumbered Concept index
8874
8875 @printindex cp
8876
8877 @bye