]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
af8c4a7d5178bfbb341687083aa5d1413bb94f5e
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2005 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic Concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The Class Hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting Expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1159 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163
1164 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1165 @c    node-name, next, previous, up
1166 @section Numbers
1167 @cindex @code{numeric} (class)
1168
1169 @cindex GMP
1170 @cindex CLN
1171 @cindex rational
1172 @cindex fraction
1173 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1174 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1175 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1176 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1177 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1178 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1179 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1180 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1181 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1182 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1183 several useful things: First, it introduces the complex number field
1184 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1185 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1186 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1187 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1188 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1189 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1190 calculation of some useful constants.
1191
1192 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1193 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1194 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1195 integers, construction from C-float and construction from a string:
1196
1197 @example
1198 #include <iostream>
1199 #include <ginac/ginac.h>
1200 using namespace GiNaC;
1201
1202 int main()
1203 @{
1204     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1205     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1206     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1207     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1208     // Trott's constant in scientific notation:
1209     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1210     
1211     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1212     ...
1213 @end example
1214
1215 @cindex @code{I}
1216 @cindex complex numbers
1217 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1218 name @code{I}:
1219
1220 @example
1221     ...
1222     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1223     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1224 @}
1225 @end example
1226
1227 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1228 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1229 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1230 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1231 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1232 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1233 also.
1234
1235 @cindex @code{Digits}
1236 @cindex accuracy
1237 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1238 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1239 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1240 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1241 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1242 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1243 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1244 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1245 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1246 digits:
1247
1248 @example
1249 #include <iostream>
1250 #include <ginac/ginac.h>
1251 using namespace std;
1252 using namespace GiNaC;
1253
1254 void foo()
1255 @{
1256     numeric three(3.0), one(1.0);
1257     numeric x = one/three;
1258
1259     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1260     cout << x << endl;
1261     cout << Pi.evalf() << endl;
1262 @}
1263
1264 int main()
1265 @{
1266     foo();
1267     Digits = 60;
1268     foo();
1269     return 0;
1270 @}
1271 @end example
1272
1273 The above example prints the following output to screen:
1274
1275 @example
1276 in 17 digits:
1277 0.33333333333333333334
1278 3.1415926535897932385
1279 in 60 digits:
1280 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1281 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1282 @end example
1283
1284 @cindex rounding
1285 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1286 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1287 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1288 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1289 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1290 architectures with different word size, the above output might even
1291 differ with regard to actually computed digits.
1292
1293 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1294 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1295 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1296
1297 @subsection Tests on numbers
1298
1299 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1300 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1301 kind of information from them like asking whether that number is
1302 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1303 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1304 certain CLN functions.)
1305
1306 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1307 some multiple of its denominator and test what comes out:
1308
1309 @example
1310 #include <iostream>
1311 #include <ginac/ginac.h>
1312 using namespace std;
1313 using namespace GiNaC;
1314
1315 // some very important constants:
1316 const numeric twentyone(21);
1317 const numeric ten(10);
1318 const numeric five(5);
1319
1320 int main()
1321 @{
1322     numeric answer = twentyone;
1323
1324     answer /= five;
1325     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1326     answer *= ten;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1328 @}
1329 @end example
1330
1331 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1332 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1333 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1334 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1335 the result is automatically converted to a pure integer again.
1336 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1337 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1338 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1339 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1340 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1341 can be applied is listed in the following table.
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{.is_zero()}
1347 @tab @dots{}equal to zero
1348 @item @code{.is_positive()}
1349 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1350 @item @code{.is_integer()}
1351 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1352 @item @code{.is_pos_integer()}
1353 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1354 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1356 @item @code{.is_even()}
1357 @tab @dots{}an even integer
1358 @item @code{.is_odd()}
1359 @tab @dots{}an odd integer
1360 @item @code{.is_prime()}
1361 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1362 @item @code{.is_rational()}
1363 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1364 @item @code{.is_real()}
1365 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1366 @item @code{.is_cinteger()}
1367 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1368 @item @code{.is_crational()}
1369 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1370 @end multitable
1371 @end cartouche
1372
1373 @subsection Numeric functions
1374
1375 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1376 evaluated immediately:
1377
1378 @cartouche
1379 @multitable @columnfractions .30 .70
1380 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1381 @item @code{inverse(z)}
1382 @tab returns @math{1/z}
1383 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1384 @item @code{pow(a, b)}
1385 @tab exponentiation @math{a^b}
1386 @item @code{abs(z)}
1387 @tab absolute value
1388 @item @code{real(z)}
1389 @tab real part
1390 @cindex @code{real()}
1391 @item @code{imag(z)}
1392 @tab imaginary part
1393 @cindex @code{imag()}
1394 @item @code{csgn(z)}
1395 @tab complex sign (returns an @code{int})
1396 @item @code{numer(z)}
1397 @tab numerator of rational or complex rational number
1398 @item @code{denom(z)}
1399 @tab denominator of rational or complex rational number
1400 @item @code{sqrt(z)}
1401 @tab square root
1402 @item @code{isqrt(n)}
1403 @tab integer square root
1404 @cindex @code{isqrt()}
1405 @item @code{sin(z)}
1406 @tab sine
1407 @item @code{cos(z)}
1408 @tab cosine
1409 @item @code{tan(z)}
1410 @tab tangent
1411 @item @code{asin(z)}
1412 @tab inverse sine
1413 @item @code{acos(z)}
1414 @tab inverse cosine
1415 @item @code{atan(z)}
1416 @tab inverse tangent
1417 @item @code{atan(y, x)}
1418 @tab inverse tangent with two arguments
1419 @item @code{sinh(z)}
1420 @tab hyperbolic sine
1421 @item @code{cosh(z)}
1422 @tab hyperbolic cosine
1423 @item @code{tanh(z)}
1424 @tab hyperbolic tangent
1425 @item @code{asinh(z)}
1426 @tab inverse hyperbolic sine
1427 @item @code{acosh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic cosine
1429 @item @code{atanh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic tangent
1431 @item @code{exp(z)}
1432 @tab exponential function
1433 @item @code{log(z)}
1434 @tab natural logarithm
1435 @item @code{Li2(z)}
1436 @tab dilogarithm
1437 @item @code{zeta(z)}
1438 @tab Riemann's zeta function
1439 @item @code{tgamma(z)}
1440 @tab gamma function
1441 @item @code{lgamma(z)}
1442 @tab logarithm of gamma function
1443 @item @code{psi(z)}
1444 @tab psi (digamma) function
1445 @item @code{psi(n, z)}
1446 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1447 @item @code{factorial(n)}
1448 @tab factorial function @math{n!}
1449 @item @code{doublefactorial(n)}
1450 @tab double factorial function @math{n!!}
1451 @cindex @code{doublefactorial()}
1452 @item @code{binomial(n, k)}
1453 @tab binomial coefficients
1454 @item @code{bernoulli(n)}
1455 @tab Bernoulli numbers
1456 @cindex @code{bernoulli()}
1457 @item @code{fibonacci(n)}
1458 @tab Fibonacci numbers
1459 @cindex @code{fibonacci()}
1460 @item @code{mod(a, b)}
1461 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1462 @cindex @code{mod()}
1463 @item @code{smod(a, b)}
1464 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1465 @cindex @code{smod()}
1466 @item @code{irem(a, b)}
1467 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1468 @cindex @code{irem()}
1469 @item @code{irem(a, b, q)}
1470 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1471 @item @code{iquo(a, b)}
1472 @tab integer quotient
1473 @cindex @code{iquo()}
1474 @item @code{iquo(a, b, r)}
1475 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1476 @item @code{gcd(a, b)}
1477 @tab greatest common divisor
1478 @item @code{lcm(a, b)}
1479 @tab least common multiple
1480 @end multitable
1481 @end cartouche
1482
1483 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1484 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1485 as polynomial algorithms.
1486
1487 @subsection Converting numbers
1488
1489 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1490 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1491 class provides a couple of methods for this purpose:
1492
1493 @cindex @code{to_int()}
1494 @cindex @code{to_long()}
1495 @cindex @code{to_double()}
1496 @cindex @code{to_cl_N()}
1497 @example
1498 int numeric::to_int() const;
1499 long numeric::to_long() const;
1500 double numeric::to_double() const;
1501 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1502 @end example
1503
1504 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1505 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1506 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1507 rational number will return a floating-point approximation. Both
1508 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1509 part of complex numbers.
1510
1511
1512 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1513 @c    node-name, next, previous, up
1514 @section Constants
1515 @cindex @code{constant} (class)
1516
1517 @cindex @code{Pi}
1518 @cindex @code{Catalan}
1519 @cindex @code{Euler}
1520 @cindex @code{evalf()}
1521 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1522 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1523
1524 The predefined known constants are:
1525
1526 @cartouche
1527 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1528 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1529 @item @code{Pi}
1530 @tab Archimedes' constant
1531 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1532 @item @code{Catalan}
1533 @tab Catalan's constant
1534 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1535 @item @code{Euler}
1536 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1537 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1538 @end multitable
1539 @end cartouche
1540
1541
1542 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1543 @c    node-name, next, previous, up
1544 @section Sums, products and powers
1545 @cindex polynomial
1546 @cindex @code{add}
1547 @cindex @code{mul}
1548 @cindex @code{power}
1549
1550 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1551 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1552 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1553 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1554 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1555 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1556 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1557 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1558
1559 @example
1560     ...
1561     symbol a("a"), b("b");
1562     ex MyTerm = 1+a*b;
1563     ...
1564 @end example
1565
1566 @cindex @code{pow()}
1567 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1568 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1569 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1570 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1571 have several counterintuitive and undesired effects:
1572
1573 @itemize @bullet
1574 @item
1575 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1576 @item
1577 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1578 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1579 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1580 @item
1581 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1582 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1583 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1584 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1585 has requested @code{2^3}.)
1586 @end itemize
1587
1588 @cindex @command{ginsh}
1589 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1590 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1591 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1592 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1593 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1594 not exist at all in C++).
1595
1596 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1597 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1598 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1599 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1600 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1601 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1602 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1603 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1604 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1605 @code{x} negative.
1606
1607 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1608 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1609 and safe simplifications are carried out like transforming
1610 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1611
1612
1613 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1614 @c    node-name, next, previous, up
1615 @section Lists of expressions
1616 @cindex @code{lst} (class)
1617 @cindex lists
1618 @cindex @code{nops()}
1619 @cindex @code{op()}
1620 @cindex @code{append()}
1621 @cindex @code{prepend()}
1622 @cindex @code{remove_first()}
1623 @cindex @code{remove_last()}
1624 @cindex @code{remove_all()}
1625
1626 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1627 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1628 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1629 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1630 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1631
1632 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1633 expressions:
1634
1635 @example
1636 @{
1637     symbol x("x"), y("y");
1638     lst l;
1639     l = x, 2, y, x+y;
1640     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1641     // in that order
1642     ...
1643 @end example
1644
1645 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1646 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1647
1648 @example
1649     ...
1650     // This produces the same list 'l' as above:
1651     // lst l(x, 2, y, x+y);
1652     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1653     ...
1654 @end example
1655
1656 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1657 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1658 individual elements:
1659
1660 @example
1661     ...
1662     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1663     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1664     ...
1665 @end example
1666
1667 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1668 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1669 sequential access to the elements of a list is possible with the
1670 iterator types provided by the @code{lst} class:
1671
1672 @example
1673 typedef ... lst::const_iterator;
1674 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1675 lst::const_iterator lst::begin() const;
1676 lst::const_iterator lst::end() const;
1677 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1678 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1679 @end example
1680
1681 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1682
1683 @example
1684     ...
1685     // O(N)
1686     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1687         cout << *i << endl;
1688     ...
1689 @end example
1690
1691 which is one order faster than
1692
1693 @example
1694     ...
1695     // O(N^2)
1696     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1697         cout << l.op(i) << endl;
1698     ...
1699 @end example
1700
1701 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1702 the C++ standard library:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1707     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1708
1709     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1710     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1711     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1712     ...
1713 @end example
1714
1715 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1716 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1717
1718 @example
1719     ...
1720     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1721     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1722     ...
1723 @end example
1724
1725 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1726 and @code{prepend()} methods:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1731     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1736 and @code{remove_last()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1741     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1742     ...
1743 @end example
1744
1745 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1746
1747 @example
1748     ...
1749     l.remove_all();     // l is now empty
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     lst l1, l2;
1758     l1 = x, 2, y, x+y;
1759     l2 = 2, x+y, x, y;
1760     l1.sort();
1761     l2.sort();
1762     // l1 and l2 are now equal
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1767 elements with @code{unique()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     lst l3;
1772     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1773     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1774 @}
1775 @end example
1776
1777
1778 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1779 @c    node-name, next, previous, up
1780 @section Mathematical functions
1781 @cindex @code{function} (class)
1782 @cindex trigonometric function
1783 @cindex hyperbolic function
1784
1785 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1786 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1787 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1788
1789 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1790 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1791 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1792 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1793 the next example, showing how a function returns itself twice and
1794 finally an expression that may be really useful:
1795
1796 @cindex Gamma function
1797 @cindex @code{subs()}
1798 @example
1799     ...
1800     symbol x("x"), y("y");    
1801     ex foo = x+y/2;
1802     cout << tgamma(foo) << endl;
1803      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1804     ex bar = foo.subs(y==1);
1805     cout << tgamma(bar) << endl;
1806      // -> tgamma(x+1/2)
1807     ex foobar = bar.subs(x==7);
1808     cout << tgamma(foobar) << endl;
1809      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1810     ...
1811 @end example
1812
1813 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1814 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1815 this.
1816
1817 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1818 functions, where the argument list is templated.  This means that
1819 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1820 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1821 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1822 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1823 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1824 point number of class @code{numeric} you should call
1825 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1826 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1827 wrapped inside an @code{ex}.
1828
1829
1830 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1831 @c    node-name, next, previous, up
1832 @section Relations
1833 @cindex @code{relational} (class)
1834
1835 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1836 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1837 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1838 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1839 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1840 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1841
1842 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1843 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1844 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1845 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1846 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1847 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1848 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1849 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1850 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1851 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1852 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1853 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1854 @code{expand()} must be called explicitly.
1855
1856 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1857 @c    node-name, next, previous, up
1858 @section Integrals
1859 @cindex @code{integral} (class)
1860
1861 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1862 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1863 1, you would write this as
1864 @example
1865 integral(x, 0, 1, x*x)
1866 @end example
1867 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1868 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1869 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1870 can be evaluated symbolically by calling the
1871 @example
1872 .eval_integ()
1873 @end example
1874 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1875 @example
1876 .evalf()
1877 @end example
1878 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1879 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1880 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1881 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1882 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1883 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1884 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1885 integrals is determined by the static member variable
1886 @example
1887 ex integral::relative_integration_error
1888 @end example
1889 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1890 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1891 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1892 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1893 variable
1894 @example
1895 int integral::max_integration_level
1896 @end example
1897 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1898 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1899 evaluation, is also available as
1900 @example
1901 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1902 const ex & error)
1903 @end example
1904 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1905 last parameter of the function is optional and defaults to the
1906 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1907 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1908 a lookup table is used.
1909
1910 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1911 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1912 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1913 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1914 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1915 with respect to the integration variable.
1916
1917 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1918 @c    node-name, next, previous, up
1919 @section Matrices
1920 @cindex @code{matrix} (class)
1921
1922 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1923 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1924 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1925 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1926
1927 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1928 elements. The constructor
1929
1930 @example
1931 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1932 @end example
1933
1934 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1935 set to zero.
1936
1937 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1938 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1939 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1940
1941 @example
1942 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1943 @end example
1944
1945 The function
1946
1947 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1948 @example
1949 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1950 @end example
1951
1952 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1953
1954 There is also a set of functions for creating some special types of
1955 matrices:
1956
1957 @cindex @code{diag_matrix()}
1958 @cindex @code{unit_matrix()}
1959 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1960 @example
1961 ex diag_matrix(const lst & l);
1962 ex unit_matrix(unsigned x);
1963 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1964 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1965 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1966                    const string & tex_base_name);
1967 @end example
1968
1969 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1970 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1971 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1972 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1973 and the position of each element in the matrix.
1974
1975 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1976 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1977 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1978 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1979 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1980 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1981
1982 @cindex @code{sub_matrix()}
1983 @cindex @code{reduced_matrix()}
1984 @example
1985 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1986 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1987 @end example
1988
1989 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1990 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1991 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1992 that specify which row and column to remove:
1993
1994 @example
1995 @{
1996     matrix m(3,3);
1997     m = 11, 12, 13,
1998         21, 22, 23,
1999         31, 32, 33;
2000     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2001     // -> [[11,13],[31,33]]
2002     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2003     // -> [[22,23],[32,33]]
2004 @}
2005 @end example
2006
2007 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2008 operator:
2009
2010 @example
2011 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2012 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2013 @end example
2014
2015 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2016 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2017 @samp{[]} is not available.
2018
2019 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2020
2021 @example
2022 @{
2023     symbol a("a"), b("b");
2024
2025     matrix M(2, 2);
2026     M = a, 0,
2027         0, b;
2028     cout << M << endl;
2029      // -> [[a,0],[0,b]]
2030
2031     matrix M2(2, 2);
2032     M2(0, 0) = a;
2033     M2(1, 1) = b;
2034     cout << M2 << endl;
2035      // -> [[a,0],[0,b]]
2036
2037     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2038      // -> [[a,0],[0,b]]
2039
2040     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2041      // -> [[a,0],[0,b]]
2042
2043     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2044      // -> [[a,0],[0,b]]
2045
2046     cout << unit_matrix(3) << endl;
2047      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2048
2049     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2050      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2051 @}
2052 @end example
2053
2054 @cindex @code{transpose()}
2055 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2056 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2057
2058 @example
2059 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2060 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2061 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2063 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2064 matrix matrix::transpose() const;
2065 @end example
2066
2067 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2068 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2069 and @math{C}:
2070
2071 @example
2072 @{
2073     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2074     A =  1, 2,
2075          3, 4;
2076     B = -1, 0,
2077          2, 1;
2078     C =  8, 4,
2079          2, 1;
2080
2081     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2082     cout << result << endl;
2083      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2084     ...
2085 @}
2086 @end example
2087
2088 @cindex @code{evalm()}
2089 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2090 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2091 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2092 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2093 method
2094
2095 @example
2096 ex ex::evalm() const;
2097 @end example
2098
2099 to obtain the result:
2100
2101 @example
2102 @{
2103     ...
2104     ex e = A*B - 2*C;
2105     cout << e << endl;
2106      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2107     cout << e.evalm() << endl;
2108      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2109     ...
2110 @}
2111 @end example
2112
2113 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2114 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2115 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2116 dealing with non-commutative expressions.
2117
2118 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2119 to perform the arithmetic:
2120
2121 @example
2122 @{
2123     ...
2124     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2125     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2126     cout << e << endl;
2127      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2128     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2129      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2130 @}
2131 @end example
2132
2133 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2134 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2135 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2136 more information about using matrices with indices, and about indices in
2137 general.
2138
2139 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2140 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2141
2142 @cindex @code{determinant()}
2143 @cindex @code{trace()}
2144 @cindex @code{charpoly()}
2145 @cindex @code{rank()}
2146 @example
2147 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2148 ex matrix::trace() const;
2149 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2150 unsigned matrix::rank() const;
2151 @end example
2152
2153 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2154 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2155 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2156 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2157 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2158 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2159 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2160 quickly.
2161
2162 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2163 @cindex @code{solve()}
2164 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2165 method and linear systems may be solved with:
2166
2167 @example
2168 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2169                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2170 @end example
2171
2172 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2173 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2174 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2175 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2176 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2177 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2178 overdetermined, an exception is thrown.
2179
2180
2181 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2182 @c    node-name, next, previous, up
2183 @section Indexed objects
2184
2185 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2186 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2187 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2188 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2189
2190 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2191 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2192 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2193 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2194
2195 @cindex @code{idx} (class)
2196 @cindex @code{indexed} (class)
2197 @subsection Indexed quantities and their indices
2198
2199 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2200 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2201
2202 @itemize @bullet
2203
2204 @cindex contravariant
2205 @cindex covariant
2206 @cindex variance
2207 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2208 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2209 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2210 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2211 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2212 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2213
2214 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2215 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2216 one or more indices.
2217
2218 @end itemize
2219
2220 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2221 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2222 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2223 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2224 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2225 not visible in the output.
2226
2227 A simple example shall illustrate the concepts:
2228
2229 @example
2230 #include <iostream>
2231 #include <ginac/ginac.h>
2232 using namespace std;
2233 using namespace GiNaC;
2234
2235 int main()
2236 @{
2237     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2238     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2239
2240     symbol A("A");
2241     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2242      // -> A.i.j
2243     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i[3].j[3]
2245     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2246     ...
2247 @end example
2248
2249 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2250 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2251 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2252 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2253 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2254 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2255 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2256 @code{j}.
2257
2258 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2259 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2260 as shown above.
2261
2262 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2263 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2264 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2265 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2266 correct and will raise an exception:
2267
2268 @example
2269 symbol i("i"), j("j");
2270 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2271 @end example
2272
2273 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2274 be numeric, and index dimensions symbolic:
2275
2276 @example
2277     ...
2278     symbol B("B"), dim("dim");
2279     cout << 4 * indexed(A, i)
2280           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2281      // -> B.j.2.i+4*A.i
2282     ...
2283 @end example
2284
2285 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2286 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2287 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2288 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2289 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2290
2291 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2292 arbitrary expressions:
2293
2294 @example
2295     ...
2296     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2297      // -> (B+A).(1+2*i)
2298     ...
2299 @end example
2300
2301 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2302 get an error message from this but you will probably not be able to do
2303 anything useful with it.
2304
2305 @cindex @code{get_value()}
2306 @cindex @code{get_dimension()}
2307 The methods
2308
2309 @example
2310 ex idx::get_value();
2311 ex idx::get_dimension();
2312 @end example
2313
2314 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2315 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2316 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2317 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2318
2319 There are also the methods
2320
2321 @example
2322 bool idx::is_numeric();
2323 bool idx::is_symbolic();
2324 bool idx::is_dim_numeric();
2325 bool idx::is_dim_symbolic();
2326 @end example
2327
2328 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2329 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2330 About Expressions}) returns information about the index value.
2331
2332 @cindex @code{varidx} (class)
2333 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2334
2335 @example
2336     ...
2337     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2338     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2339     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2340
2341     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2342      // -> A~mu~nu
2343     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2344      // -> A.mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     ...
2348 @end example
2349
2350 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2351 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2352 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2353 constructor. The two methods
2354
2355 @example
2356 bool varidx::is_covariant();
2357 bool varidx::is_contravariant();
2358 @end example
2359
2360 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2361 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2362 method
2363
2364 @example
2365 ex varidx::toggle_variance();
2366 @end example
2367
2368 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2369 variance. By using it you only have to define the index once.
2370
2371 @cindex @code{spinidx} (class)
2372 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2373 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2374
2375 @example
2376     ...
2377     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2378     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2379                                             // contravariant, undotted
2380     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2381     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2382     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2383
2384     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2385      // -> K~C~D
2386     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2387      // -> K.C~*D
2388     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2389      // -> K.*D~D
2390     ...
2391 @end example
2392
2393 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2394 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2395 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2396 methods
2397
2398 @example
2399 bool spinidx::is_dotted();
2400 bool spinidx::is_undotted();
2401 @end example
2402
2403 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2404 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2405 Finally, the two methods
2406
2407 @example
2408 ex spinidx::toggle_dot();
2409 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2410 @end example
2411
2412 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2413 and the same or opposite variance.
2414
2415 @subsection Substituting indices
2416
2417 @cindex @code{subs()}
2418 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2419 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2420 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2421 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2422
2423 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2424 by another index or expression:
2425
2426 @example
2427     ...
2428     ex e = indexed(A, mu_co);
2429     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2430      // -> A.mu becomes A~nu
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~0
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A.0
2435     ...
2436 @end example
2437
2438 The third example shows that trying to replace an index with something that
2439 is not an index will substitute the index value instead.
2440
2441 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2442 another expression:
2443
2444 @example
2445     ...
2446     ex e = indexed(A, mu_co);
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.nu
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.0
2451     ...
2452 @end example
2453
2454 As you see, with the second method only the value of the index will get
2455 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2456 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2457 whole index by another one with the new dimension.
2458
2459 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2460 expected:
2461
2462 @example
2463     ...
2464     ex e = indexed(A, mu_co);
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2466      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2467     ...
2468 @end example
2469
2470 @subsection Symmetries
2471 @cindex @code{symmetry} (class)
2472 @cindex @code{sy_none()}
2473 @cindex @code{sy_symm()}
2474 @cindex @code{sy_anti()}
2475 @cindex @code{sy_cycl()}
2476
2477 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2478 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2479 that is constructed with the helper functions
2480
2481 @example
2482 symmetry sy_none(...);
2483 symmetry sy_symm(...);
2484 symmetry sy_anti(...);
2485 symmetry sy_cycl(...);
2486 @end example
2487
2488 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2489 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2490 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2491 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2492 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2493 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2494 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2495 all indices.
2496
2497 Here are some examples of symmetry definitions:
2498
2499 @example
2500     ...
2501     // No symmetry:
2502     e = indexed(A, i, j);
2503     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2504     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2505
2506     // Symmetric in all three indices:
2507     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2508     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2509     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2510                                                // different canonical order
2511
2512     // Symmetric in the first two indices only:
2513     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2514     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2515
2516     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2517     // be contiguous):
2518     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2519     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2520
2521     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2522     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2523     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2524     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2525
2526     // Cyclic symmetry in all three indices:
2527     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // The following examples are invalid constructions that will throw
2531     // an exception at run time.
2532
2533     // An index may not appear multiple times:
2534     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2535     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2536
2537     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2538     // same number of indices:
2539     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2540
2541     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2542     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2543     ...
2544 @end example
2545
2546 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2547 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2548 full symmetry in the first six indices you would write
2549 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2550
2551 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2552 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2553
2554 @example
2555     ...
2556     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2557           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2558      // -> 2*A.j.i
2559     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2560           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2561      // -> 0
2562     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2563           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2564      // -> 0
2565     ...
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{get_free_indices()}
2569 @cindex dummy index
2570 @subsection Dummy indices
2571
2572 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2573 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2574 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2575 dummy nor free indices.
2576
2577 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2578 class and their value must be the same single symbol (an index like
2579 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2580 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2581 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2582
2583 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2584 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2585 of a sum are consistent:
2586
2587 @example
2588 @{
2589     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2590
2591     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2592     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2593
2594     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2595     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2596      // -> (.i,.k)
2597      // 'j' and 'l' are dummy indices
2598
2599     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2600     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2601
2602     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2603       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2604     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2605      // -> (~mu,~rho)
2606      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2607
2608     e = indexed(A, mu, mu);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (~mu)
2611      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2612      // variance
2613
2614     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2615     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2616      // this will throw an exception:
2617      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2622 A dummy index summation like 
2623 @tex
2624 $ a_i b^i$
2625 @end tex
2626 @ifnottex
2627 a.i b~i
2628 @end ifnottex
2629 can be expanded for indices with numeric
2630 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2631 @tex
2632 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2633 @end tex
2634 @ifnottex
2635 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2636 @end ifnottex
2637 This is performed by the function
2638
2639 @example
2640     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2641 @end example
2642
2643 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2644 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2645 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2646 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2647 @tex
2648 $ a_i b^i$
2649 @end tex
2650 @ifnottex
2651 a.i b~i
2652 @end ifnottex
2653 will be expanded to
2654 @tex
2655 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2656 @end tex
2657 @ifnottex
2658 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2659 @end ifnottex
2660
2661
2662 @cindex @code{simplify_indexed()}
2663 @subsection Simplifying indexed expressions
2664
2665 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2666 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2667 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2668 there is the method
2669
2670 @example
2671 ex ex::simplify_indexed();
2672 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2673 @end example
2674
2675 that performs some more expensive operations:
2676
2677 @itemize
2678 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2679   @code{get_free_indices()} does
2680 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2681   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2682 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2683   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2684   next section)
2685 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2686   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2687 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2688   of two tensors with a user-defined value
2689 @end itemize
2690
2691 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2692 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2693 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2694
2695 @example
2696 @{
2697     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2698     idx i(i_sym, 3);
2699
2700     scalar_products sp;
2701     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2702     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2703     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2704
2705     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2706     cout << e << endl;
2707      // -> (B+A).i*(A+C).i
2708
2709     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2710          << endl;
2711      // -> 4+C.i*B.i
2712 @}
2713 @end example
2714
2715 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2716 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2717 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2718 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2719 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2720 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2721 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2722 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2723
2724 @cindex @code{expand()}
2725 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2726 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2727 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2728
2729 @cindex @code{tensor} (class)
2730 @subsection Predefined tensors
2731
2732 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2733 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2734 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2735 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2736 indices are specified).
2737
2738 @cindex @code{delta_tensor()}
2739 @subsubsection Delta tensor
2740
2741 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2742 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2743 @code{delta_tensor()}:
2744
2745 @example
2746 @{
2747     symbol A("A"), B("B");
2748
2749     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2750         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2751
2752     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2753          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2754     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2755      // -> B.i.j*A.i.j
2756
2757     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2758      // -> 3
2759 @}
2760 @end example
2761
2762 @cindex @code{metric_tensor()}
2763 @subsubsection General metric tensor
2764
2765 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2766 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2767 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2768 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2769
2770 @example
2771 @{
2772     symbol A("A");
2773
2774     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2775
2776     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2777     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2778      // -> A~mu~rho
2779
2780     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2781     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2782      // -> g~mu~rho
2783
2784     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2785       * metric_tensor(nu, rho);
2786     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2787      // -> delta.mu~rho
2788
2789     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2790       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2791         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2792     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2793      // -> 4+A.rho~rho
2794 @}
2795 @end example
2796
2797 @cindex @code{lorentz_g()}
2798 @subsubsection Minkowski metric tensor
2799
2800 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2801 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2802 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2803 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2804 @samp{eta}):
2805
2806 @example
2807 @{
2808     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2809
2810     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2811       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 1
2814
2815     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2816       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2817     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2818      // -> -1
2819 @}
2820 @end example
2821
2822 @cindex @code{spinor_metric()}
2823 @subsubsection Spinor metric tensor
2824
2825 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2826 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2827 It is output as @samp{eps}:
2828
2829 @example
2830 @{
2831     symbol psi("psi");
2832
2833     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2834     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2835
2836     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> psi~A
2839
2840     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2841     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2842      // -> -psi~B
2843
2844     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> -psi.A
2847
2848     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2849     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2850      // -> psi.B
2851
2852     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2853     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2854      // -> 2
2855
2856     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2857     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2858      // -> -delta.A~C
2859 @}
2860 @end example
2861
2862 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2863
2864 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2865 @cindex @code{lorentz_eps()}
2866 @subsubsection Epsilon tensor
2867
2868 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2869 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2870 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2871 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2872 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2873 @samp{eps}.
2874
2875 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2876 dimensions:
2877
2878 @example
2879 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2880 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2881 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2882                bool pos_sig = false);
2883 @end example
2884
2885 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2886 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2887 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2888 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2889 tensor):
2890
2891 @example
2892 @{
2893     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2894            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2895     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2896         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2897     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2898      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2899
2900     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2901     symbol A("A"), B("B");
2902     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2903     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2904      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2905     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2906     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2907      // -> 0
2908 @}
2909 @end example
2910
2911 @subsection Linear algebra
2912
2913 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2914 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2915 and scalar products):
2916
2917 @example
2918 @{
2919     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2920     symbol x("x"), y("y");
2921
2922     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2923     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2924     A = 1, 2,
2925         3, 4;
2926     X = x, y;
2927
2928     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2929      // -> 5
2930
2931     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2932     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2933      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2934
2935     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2936     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2937      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2938 @}
2939 @end example
2940
2941 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2942 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2943 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2944
2945 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2946 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2947 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2948 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2949
2950 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2951 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2952 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2953 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2954 of the metric tensor.
2955
2956
2957 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2958 @c    node-name, next, previous, up
2959 @section Non-commutative objects
2960
2961 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2962 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2963 physics:
2964
2965 @itemize
2966 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2967 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2968 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2969 @end itemize
2970
2971 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2972 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2973 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2974 @ref{Matrices}.
2975
2976 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2977 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2978 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2979 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2980 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2981 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2982 by their class. Consider this example:
2983
2984 @example
2985     ...
2986     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2987     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2988     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2989     cout << e << endl;
2990      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2991     ...
2992 @end example
2993
2994 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2995 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2996 together while preserving the order of factors within each class (because
2997 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2998 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2999 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3000 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3001
3002 @cindex @code{ncmul} (class)
3003 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3004 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3005 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3006 though.
3007
3008 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3009 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3010 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3011 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3012 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3013 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3014 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
3015 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
3016 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
3017 functions can, however, be specified as being non-commutative.
3018
3019 @cindex @code{return_type()}
3020 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3021 Information about the commutativity of an object or expression can be
3022 obtained with the two member functions
3023
3024 @example
3025 unsigned ex::return_type() const;
3026 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3027 @end example
3028
3029 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3030 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3031 expressions in GiNaC:
3032
3033 @itemize
3034 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3035   classes are of this kind.
3036 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3037   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3038   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3039   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3040   class.
3041 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3042   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3043   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3044   @code{noncommutative_composite} expressions.
3045 @end itemize
3046
3047 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3048 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3049 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3050 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3051
3052 Here are a couple of examples:
3053
3054 @cartouche
3055 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3056 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3057 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3058 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3059 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3060 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3061 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3062 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3063 @end multitable
3064 @end cartouche
3065
3066 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3067 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3068 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3069 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3070 for color objects.
3071
3072 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3073 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3074 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3075 non-commutative expressions).
3076
3077
3078 @cindex @code{clifford} (class)
3079 @subsection Clifford algebra
3080
3081
3082 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3083 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3084 mathematical). 
3085
3086 @cindex @code{dirac_gamma()}
3087 @subsubsection Dirac gamma matrices
3088 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3089 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3090 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3091 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3092 constructed by the function
3093
3094 @example
3095 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3096 @end example
3097
3098 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3099 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3100 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3101 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3102 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3103 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3104
3105 @cindex @code{dirac_ONE()}
3106 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3107
3108 @example
3109 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3113 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3114 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3115 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3116 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3117
3118 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3119 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3120 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3121 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3122
3123 @example
3124 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3125 @end example
3126
3127 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3128 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3129 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3130 objects, constructed by
3131
3132 @example
3133 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3134 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3135 @end example
3136
3137 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3138 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3139
3140 @cindex @code{dirac_slash()}
3141 Finally, the function
3142
3143 @example
3144 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3145 @end example
3146
3147 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3148 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3149 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3150 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3151
3152 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3153 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3154 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3155
3156 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3157 for example
3158
3159 @example
3160 @{
3161     ...
3162     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3163     varidx mu(symbol("mu"), D);
3164     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3165          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3166     cout << e << endl;
3167      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3168     e = e.simplify_indexed();
3169     cout << e << endl;
3170      // -> -D*a\+2*a\
3171     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3172      // -> -2*a\
3173     ...
3174 @}
3175 @end example
3176
3177 @cindex @code{dirac_trace()}
3178 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3179 you use one of the functions
3180
3181 @example
3182 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3183                const ex & trONE = 4);
3184 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3185 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3186 @end example
3187
3188 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3189 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3190 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3191 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3192 element, which defaults to 4.
3193
3194 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3195 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3196 functional is not cyclic in
3197 @tex $D \ne 4$
3198 @end tex
3199 dimensions when acting on
3200 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3201 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3202 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3203
3204 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3205 @tex $D \ne 4$
3206 @end tex
3207 dimensions:
3208
3209 @example
3210 @{
3211     // 4 dimensions
3212     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3213     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3214            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3215     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3216      // -> -8*eta~rho~nu
3217 @}
3218 ...
3219 @{
3220     // D dimensions
3221     symbol D("D");
3222     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3223     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3224            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3225     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3226      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3227 @}
3228 @end example
3229
3230 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3231 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3232 QED:
3233
3234 @example
3235 @{
3236     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3237     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3238
3239     scalar_products sp;
3240     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3241     sp.add(l, q, ldotq);
3242
3243     ex e = dirac_gamma(mu) *
3244            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3245            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3246            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3247     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3248     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3249     cout << e << endl;
3250      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3251 @}
3252 @end example
3253
3254 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3255 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3256 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3257
3258 @example
3259 @{
3260     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3261     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3262     cout << e << endl;
3263      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3264
3265     e = canonicalize_clifford(e);
3266     cout << e << endl;
3267      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3268 @}
3269 @end example
3270
3271 @cindex @code{clifford_unit()}
3272 @subsubsection A generic Clifford algebra
3273
3274 A generic Clifford algebra, i.e. a
3275 @tex
3276 $2^n$
3277 @end tex
3278 dimensional algebra with
3279 generators 
3280 @tex $e_k$
3281 @end tex 
3282 satisfying the identities 
3283 @tex
3284 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3285 @end tex
3286 @ifnottex
3287 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3288 @end ifnottex
3289 for some bilinear form (@code{metric})
3290 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3291 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3292 function 
3293
3294 @example
3295     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3296                                 bool anticommuting = false);    
3297 @end example
3298
3299 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3300 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3301 @code{idx} as well.
3302 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3303 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3304 object. Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3305 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3306 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3307 assumption (i.e.
3308 @tex
3309 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3313 @end ifnottex
3314 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3315 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3316 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3317 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3318 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3319
3320 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3321 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3322 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3323 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3324 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3325 Clifford number.
3326 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3327 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3328 @code{anticommuting} property of a unit.
3329
3330 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3331 the Clifford algebra units with a call like that
3332
3333 @example
3334     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3335 @end example
3336
3337 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3338 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3339 automatically. 
3340
3341 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3342 ways. For example 
3343
3344 @example
3345 @{
3346     ... 
3347     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3348     realsymbol s("s");
3349     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3350     ex e = clifford_unit(nu, M);
3351     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3352     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3353     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3354     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3355     ...
3356 @}
3357 @end example
3358
3359 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3360 @tex
3361 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3362 @end tex
3363 @ifnottex
3364 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3365 @code{pow(e3, 2) = s}.
3366 @end ifnottex
3367
3368 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3369 A similar effect can be achieved from the function
3370
3371 @example
3372     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3373                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3374     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3375 @end example
3376
3377 which converts a list or vector 
3378 @tex
3379 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3380 @end tex
3381 @ifnottex
3382 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3383 @end ifnottex
3384 into the
3385 Clifford number 
3386 @tex
3387 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3388 @end tex
3389 @ifnottex
3390 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3391 @end ifnottex
3392 with @samp{e.k}
3393 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3394 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3395 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3396 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3397
3398 @example
3399 @{
3400     ...
3401     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3402     realsymbol s("s");
3403     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3404     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3405     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3406     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3407     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3408   ...
3409 @}
3410 @end example
3411
3412 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3413 There is the inverse function 
3414
3415 @example
3416     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3417 @end example
3418
3419 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3420 @tex
3421 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3422 @end tex
3423 @ifnottex
3424 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3425 @end ifnottex
3426 such that 
3427 @tex
3428 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3429 @end tex
3430 @ifnottex
3431 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3432 @end ifnottex
3433 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3434 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3435 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3436 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3437 @tex
3438 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3439 @end tex
3440 @ifnottex
3441 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3442 @end ifnottex
3443 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3444 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3445 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3446
3447 @cindex @code{clifford_prime()}
3448 @cindex @code{clifford_star()}
3449 @cindex @code{clifford_bar()}
3450 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3451
3452 @example
3453     ex clifford_prime(const ex & e)
3454     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3455     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3456 @end example
3457
3458 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3459 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3460 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3461 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3462 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3463 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3464 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3465 in a product. These functions correspond to the notations
3466 @math{e'},
3467 @tex
3468 $e^*$
3469 @end tex
3470 @ifnottex
3471 e*
3472 @end ifnottex
3473 and
3474 @tex
3475 $\overline{e}$
3476 @end tex
3477 @ifnottex
3478 @code{\bar@{e@}}
3479 @end ifnottex
3480 used in Clifford algebra textbooks.
3481
3482 @cindex @code{clifford_norm()}
3483 The function
3484
3485 @example
3486     ex clifford_norm(const ex & e);
3487 @end example
3488
3489 @cindex @code{clifford_inverse()}
3490 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3491 @tex
3492 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3493 @end tex
3494 @ifnottex
3495 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3496 @end ifnottex
3497  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3498
3499 @example
3500     ex clifford_inverse(const ex & e);
3501 @end example
3502
3503 which calculates it as 
3504 @tex
3505 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3506 @end tex
3507 @ifnottex
3508 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3509 @end ifnottex
3510  If
3511 @tex
3512 $||e|| = 0$
3513 @end tex
3514 @ifnottex
3515 @math{||e||=0}
3516 @end ifnottex
3517 then an exception is raised.
3518
3519 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3520 If a Clifford number happens to be a factor of
3521 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3522 expression by the function
3523
3524 @example
3525     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3526 @end example
3527
3528 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3529 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3530 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3531
3532 The next provided function is
3533
3534 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3535 @example
3536     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3537                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3538                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3539     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3540                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3541 @end example 
3542
3543 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3544 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3545 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3546 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3547 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3548 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are ignored
3549 even if supplied.  The returned value of this function is a list of
3550 components of the resulting vector.
3551
3552 @cindex @code{clifford_max_label()}
3553 Finally the function
3554
3555 @example
3556 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3557 @end example
3558
3559 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3560 such objects are found it returns the maximal
3561 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3562 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3563 be ignored during the search.
3564  
3565 LaTeX output for Clifford units looks like
3566 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3567 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3568 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3569 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3570 @example
3571     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3572 @end example
3573 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3574 @example
3575     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3576 @end example
3577 prints units with @code{representation_label=0} as 
3578 @tex
3579 $e$,
3580 @end tex
3581 @ifnottex
3582 @code{e},
3583 @end ifnottex
3584 with @code{representation_label=1} as 
3585 @tex
3586 $\tilde{e}$
3587 @end tex
3588 @ifnottex
3589 @code{\tilde@{e@}}
3590 @end ifnottex
3591  and with @code{representation_label=2} as 
3592 @tex
3593 $\breve{e}$.
3594 @end tex
3595 @ifnottex
3596 @code{\breve@{e@}}.
3597 @end ifnottex
3598
3599 @cindex @code{color} (class)
3600 @subsection Color algebra
3601
3602 @cindex @code{color_T()}
3603 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3604 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3605 elements @math{T_a} are constructed by the function
3606
3607 @example
3608 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3609 @end example
3610
3611 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3612 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3613 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3614 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3615 not @code{varidx}.
3616
3617 @cindex @code{color_ONE()}
3618 The unity element of a color algebra is constructed by
3619
3620 @example
3621 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3622 @end example
3623
3624 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3625 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3626 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3627 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3628 GiNaC may produce incorrect results.
3629
3630 @cindex @code{color_d()}
3631 @cindex @code{color_f()}
3632 The functions
3633
3634 @example
3635 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3636 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3637 @end example
3638
3639 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3640 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3641 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3642
3643 These functions evaluate to their numerical values,
3644 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3645 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3646 goes along better with the notations used in physical literature.
3647
3648 @cindex @code{color_h()}
3649 There's an additional function
3650
3651 @example
3652 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3653 @end example
3654
3655 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3656
3657 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3658 expressions containing color objects:
3659
3660 @example
3661 @{
3662     ...
3663     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3664         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3665
3666     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3667     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3668      // -> 0
3669
3670     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3671     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3672      // -> 5/3*delta.k.l
3673
3674     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3675     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3676      // -> 3*delta.k.l
3677
3678     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3680      // -> -32/3
3681
3682     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3684      // -> -2/3*T.a
3685
3686     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3688      // -> -8/9*ONE
3689
3690     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3692      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3693     ...
3694 @end example
3695
3696 @cindex @code{color_trace()}
3697 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3698 of the functions
3699
3700 @example
3701 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3702 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3703 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3704 @end example
3705
3706 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3707 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3708 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3709 example:
3710
3711 @example
3712     ...
3713     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3714     cout << e << endl;
3715      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3716 @}
3717 @end example
3718
3719
3720 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3721 @c    node-name, next, previous, up
3722 @section Hash Maps
3723 @cindex hash maps
3724 @cindex @code{exhashmap} (class)
3725
3726 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3727 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3728 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3729 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3730
3731 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3732 following differences:
3733
3734 @itemize @bullet
3735 @item
3736 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3737 @item
3738 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3739 @item 
3740 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3741 @item
3742 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3743 @code{ex_is_less}
3744 @item
3745 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3746 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3747 larger than the specified value)
3748 @item
3749 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3750 table
3751 @item 
3752 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3753 @end itemize
3754
3755
3756 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3757 @c    node-name, next, previous, up
3758 @chapter Methods and Functions
3759 @cindex polynomial
3760
3761 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3762 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3763 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3764 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3765 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3766 example:
3767
3768 @example
3769     ...
3770     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3771     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3772     ...
3773 @end example
3774
3775 @cindex @code{subs()}
3776 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3777 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3778 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3779 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3780 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3781 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3782 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3783 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3784 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3785 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3786 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3787 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3788 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3789 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3790 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3791 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3792 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3793 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3794 avoided.
3795
3796 @menu
3797 * Information About Expressions::
3798 * Numerical Evaluation::
3799 * Substituting Expressions::
3800 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3801 * Applying a Function on Subexpressions::
3802 * Visitors and Tree Traversal::
3803 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3804 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3805 * Symbolic Differentiation::
3806 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3807 * Symmetrization::
3808 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3809 * Multiple polylogarithms::
3810 * Complex Conjugation::
3811 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3812 * Solving Linear Systems of Equations::
3813 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3814 @end menu
3815
3816
3817 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3818 @c    node-name, next, previous, up
3819 @section Getting information about expressions
3820
3821 @subsection Checking expression types
3822 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3823 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3824 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3825 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3826 @cindex @code{info()}
3827 @cindex @code{return_type()}
3828 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3829
3830 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3831 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3832 GiNaC provides a couple of functions for this:
3833
3834 @example
3835 bool is_a<T>(const ex & e);
3836 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3837 bool ex::info(unsigned flag);
3838 unsigned ex::return_type() const;
3839 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3840 @end example
3841
3842 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3843 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3844 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3845 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3846
3847 @example
3848 @{
3849     @dots{}
3850     if (is_a<numeric>(e))
3851         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3852     @dots{}
3853 @}
3854 @end example
3855
3856 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3857 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3858 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3859 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3860
3861 @example
3862 @{
3863     symbol x("x");
3864     ex e1 = 42;
3865     ex e2 = 4*x - 3;
3866     is_a<numeric>(e1);  // true
3867     is_a<numeric>(e2);  // false
3868     is_a<add>(e1);      // false
3869     is_a<add>(e2);      // true
3870     is_a<mul>(e1);      // false
3871     is_a<mul>(e2);      // false
3872 @}
3873 @end example
3874
3875 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3876 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3877 class @samp{T}, not including parent classes.
3878
3879 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3880 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3881 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3882 table:
3883
3884 @cartouche
3885 @multitable @columnfractions .30 .70
3886 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3887 @item @code{numeric}
3888 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3889 @item @code{real}
3890 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3891 @item @code{rational}
3892 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3893 @item @code{integer}
3894 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3895 @item @code{crational}
3896 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3897 @item @code{cinteger}
3898 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3899 @item @code{positive}
3900 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3901 @item @code{negative}
3902 @tab @dots{}not complex and less than 0
3903 @item @code{nonnegative}
3904 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3905 @item @code{posint}
3906 @tab @dots{}an integer greater than 0
3907 @item @code{negint}
3908 @tab @dots{}an integer less than 0
3909 @item @code{nonnegint}
3910 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3911 @item @code{even}
3912 @tab @dots{}an even integer
3913 @item @code{odd}
3914 @tab @dots{}an odd integer
3915 @item @code{prime}
3916 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3917 @item @code{relation}
3918 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3919 @item @code{relation_equal}
3920 @tab @dots{}a @code{==} relation
3921 @item @code{relation_not_equal}
3922 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3923 @item @code{relation_less}
3924 @tab @dots{}a @code{<} relation
3925 @item @code{relation_less_or_equal}
3926 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3927 @item @code{relation_greater}
3928 @tab @dots{}a @code{>} relation
3929 @item @code{relation_greater_or_equal}
3930 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3931 @item @code{symbol}
3932 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3933 @item @code{list}
3934 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3935 @item @code{polynomial}
3936 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3937 @item @code{integer_polynomial}
3938 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3939 @item @code{cinteger_polynomial}
3940 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3941 @item @code{rational_polynomial}
3942 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3943 @item @code{crational_polynomial}
3944 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3945 @item @code{rational_function}
3946 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3947 @item @code{algebraic}
3948 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3949 @end multitable
3950 @end cartouche
3951
3952 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3953 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3954 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3955 for an explanation of these.
3956
3957
3958 @subsection Accessing subexpressions
3959 @cindex container
3960
3961 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3962 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3963 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3964 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3965
3966 @cindex @code{nops()}
3967 @cindex @code{op()}
3968 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3969 use the two methods
3970
3971 @example
3972 size_t ex::nops();
3973 ex ex::op(size_t i);
3974 @end example
3975
3976 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3977 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3978 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3979 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3980 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3981 @math{i>0} are the indices.
3982
3983 @cindex iterators
3984 @cindex @code{const_iterator}
3985 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3986 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3987
3988 @example
3989 const_iterator ex::begin();
3990 const_iterator ex::end();
3991 @end example
3992
3993 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3994 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3995 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3996 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3997
3998 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3999 given expression in three different ways:
4000
4001 @example
4002 @{
4003     ex e = ...
4004
4005     // with nops()/op()
4006     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4007         cout << e.op(i) << endl;
4008
4009     // with iterators
4010     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4011         cout << *i << endl;
4012
4013     // with iterators and STL copy()
4014     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4015 @}
4016 @end example
4017
4018 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4019 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4020 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4021 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4022 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4023 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4024 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4025 methods
4026
4027 @example
4028 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4029 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4030 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4031 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4032 @end example
4033
4034 The following example illustrates the differences between
4035 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4036 @code{const_postorder_iterator}:
4037
4038 @example
4039 @{
4040     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4041     ex e = lst(lst(A, B), C);
4042
4043     std::copy(e.begin(), e.end(),
4044               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4045     // @{A,B@}
4046     // C
4047
4048     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4049               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4050     // @{@{A,B@},C@}
4051     // @{A,B@}
4052     // A
4053     // B
4054     // C
4055
4056     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4057               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4058     // A
4059     // B
4060     // @{A,B@}
4061     // C
4062     // @{@{A,B@},C@}
4063 @}
4064 @end example
4065
4066 @cindex @code{relational} (class)
4067 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4068 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4069 methods
4070
4071 @example
4072 ex ex::lhs();
4073 ex ex::rhs();
4074 @end example
4075
4076
4077 @subsection Comparing expressions
4078 @cindex @code{is_equal()}
4079 @cindex @code{is_zero()}
4080
4081 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4082 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4083 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4084 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4085 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4086 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4087 @code{false}.
4088
4089 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4090 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4091 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4092
4093 There are also two methods
4094
4095 @example
4096 bool ex::is_equal(const ex & other);
4097 bool ex::is_zero();
4098 @end example
4099
4100 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4101 respectively.
4102
4103
4104 @subsection Ordering expressions
4105 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4106 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4107 @cindex @code{compare()}
4108
4109 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4110 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4111 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4112 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4113
4114 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4115 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4116 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4117 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4118 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4119 yield @code{true}.
4120
4121 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4122 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4123 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4124 predicates to the STL:
4125
4126 @example
4127 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4128 public:
4129     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4130 @};
4131
4132 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4133 public:
4134     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4135 @};
4136 @end example
4137
4138 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4139 have to use
4140
4141 @example
4142 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4143 @end example
4144
4145 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4146 bugs because the map operates improperly.
4147
4148 Other examples for the use of the functors:
4149
4150 @example
4151 std::vector<ex> v;
4152 // fill vector
4153 ...
4154
4155 // sort vector
4156 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4157
4158 // count the number of expressions equal to '1'
4159 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4160                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4161 @end example
4162
4163 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4164
4165 @example
4166 int ex::compare(const ex & other) const;
4167 @end example
4168
4169 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4170 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4171 after @code{other}.
4172
4173
4174 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4175 @c    node-name, next, previous, up
4176 @section Numerical Evaluation
4177 @cindex @code{evalf()}
4178
4179 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4180 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4181
4182 @example
4183 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4184 @end example
4185
4186 @cindex @code{Digits}
4187 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4188 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4189 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4190
4191 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4192 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4193
4194 @example
4195 @{
4196     // Approximate sin(x/Pi)
4197     symbol x("x");
4198     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4199
4200     // Evaluate numerically at x=0.1
4201     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4202
4203     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4204     if (is_a<numeric>(f)) @{
4205         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4206         cout << d << endl;
4207          // -> 0.0318256
4208     @} else
4209         // error
4210 @}
4211 @end example
4212
4213
4214 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4215 @c    node-name, next, previous, up
4216 @section Substituting expressions
4217 @cindex @code{subs()}
4218
4219 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4220 expressions via the @code{.subs()} method:
4221
4222 @example
4223 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4224 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4225 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4226 @end example
4227
4228 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4229 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4230
4231 @example
4232 @{
4233     symbol x("x"), y("y");
4234
4235     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4236     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4237      // -> 73
4238
4239     ex e2 = x*y + x;
4240     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4241      // -> -10
4242 @}
4243 @end example
4244
4245 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4246 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4247
4248 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4249 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4250 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4251 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4252 be substituted is large or unknown.
4253
4254 Using this form, the second example from above would look like this:
4255
4256 @example
4257 @{
4258     symbol x("x"), y("y");
4259     ex e2 = x*y + x;
4260
4261     exmap m;
4262     m[x] = -2;
4263     m[y] = 4;
4264     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4265 @}
4266 @end example
4267
4268 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4269 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4270 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4271
4272 @example
4273 @{
4274     symbol x("x"), y("y");
4275     ex e2 = x*y + x;
4276
4277     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4278 @}
4279 @end example
4280
4281 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4282 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4283 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4284 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4285 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4286 algebraic substitutions in products and powers.
4287 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4288 about patterns and algebraic substitutions.
4289
4290 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4291 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4292 following example:
4293
4294 @example
4295 @{
4296     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4297
4298     ex e1 = pow(x+y, 2);
4299     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4300      // -> 16
4301
4302     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4303     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4304      // -> cos(x)^2*sin(y)
4305
4306     ex e3 = x+y+z;
4307     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4308      // -> x+y+z
4309      // (and not 4+z as one might expect)
4310 @}
4311 @end example
4312
4313 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4314 next section.
4315
4316
4317 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4318 @c    node-name, next, previous, up
4319 @section Pattern matching and advanced substitutions
4320 @cindex @code{wildcard} (class)
4321 @cindex Pattern matching
4322
4323 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4324 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4325 substituting expressions in a more general way.
4326
4327 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4328 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4329 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4330 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4331 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4332 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4333 with the call
4334
4335 @example
4336 ex wild(unsigned label = 0);
4337 @end example
4338
4339 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4340 name.
4341
4342 Some examples for patterns:
4343
4344 @multitable @columnfractions .5 .5
4345 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4346 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4347 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4348 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4349 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4350 @end multitable
4351
4352 Notes:
4353
4354 @itemize
4355 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4356   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4357 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4358   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4359   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4360 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4361   possible to use them as placeholders for other properties like index
4362   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4363   etc.
4364 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4365   as part of noncommutative products.
4366 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4367   are also valid patterns.
4368 @end itemize
4369
4370 @subsection Matching expressions
4371 @cindex @code{match()}
4372 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4373 matches a given pattern. This is done by the function
4374
4375 @example
4376 bool ex::match(const ex & pattern);
4377 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4378 @end example
4379
4380 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4381 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4382 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4383 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4384 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4385 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4386 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4387 expressions by passing in the result of a previous match.
4388
4389 The matching algorithm works as follows:
4390
4391 @itemize
4392 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4393   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4394   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4395   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4396 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4397   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4398   etc.).
4399 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4400   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4401 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4402   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4403   of the pattern.
4404 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4405   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4406 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4407   match the corresponding subexpression of the pattern.
4408 @end itemize
4409
4410 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4411 account for their commutativity and associativity:
4412
4413 @itemize
4414 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4415   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4416   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4417   way.
4418 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4419   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4420   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4421   further matches.
4422 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4423   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4424   which case this wildcard matches the remaining terms.
4425 @end itemize
4426
4427 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4428 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4429 ambiguous results.
4430
4431 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4432 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4433 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4434
4435 @example
4436 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4437 @{@}
4438 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4439 FAIL
4440 > match((x+y)^a,$1^$2);
4441 @{$1==x+y,$2==a@}
4442 > match((x+y)^a,$1^$1);
4443 FAIL
4444 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4445 @{$1==x+y@}
4446 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4447 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4448 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4449 @{$1==a@}
4450 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4451 @{$1==c,$2==b@}
4452   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4453 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4454   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4455    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4456    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4457    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4458    fail.)
4459 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4460   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4461    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4462 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4463 FAIL
4464 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4465 @{$0==a+e+b+f+d@}
4466 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4467 @{$0==a+b+f+d@}
4468 > match(a+b,a+b+$0);
4469 @{$0==0@}
4470 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4471 FAIL
4472   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4473    even though a==a^1.)
4474 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4475 @{$0==x@}
4476 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4477 @{$0==x^2@}
4478 @end example
4479
4480 @subsection Matching parts of expressions
4481 @cindex @code{has()}
4482 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4483 member function
4484
4485 @example
4486 bool ex::has(const ex & pattern);
4487 @end example
4488
4489 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4490 by any of its subexpressions.
4491
4492 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4493 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4494
4495 @example
4496 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4497 1
4498 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4499 0
4500   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4501    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4502 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4503 1
4504   (But this is possible.)
4505 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4506 0
4507   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4508    which "x+y" is not a subexpression.)
4509 > has(x+1,x^$1);
4510 0
4511   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4512    "x^something".)
4513 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4514 1
4515 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4516 0
4517   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4518    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4519    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4520 @end example
4521
4522 @cindex @code{find()}
4523 The method
4524
4525 @example
4526 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4527 @end example
4528
4529 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4530 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4531 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4532 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4533 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4534
4535 @example
4536 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4537 @{x@}
4538 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4539 @{@}
4540 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4541 @{x^3,x^2@}
4542   (Note the absence of "x".)
4543 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4544 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4545 > find(%,sin($1));
4546 @{sin(y),sin(x)@}
4547 @end example
4548
4549 @subsection Substituting expressions
4550 @cindex @code{subs()}
4551 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4552 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4553 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4554 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4555 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4556
4557 Some examples:
4558
4559 @example
4560 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4561 b^3+a^3+(x+y)^3
4562 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4563 b^4+a^4+(x+y)^4
4564 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4565 (a+b+c)^2
4566 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4567 (x+c)^2
4568 > subs(a+2*b,a+b==x);
4569 a+2*b
4570 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4571 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4572 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4573 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4574 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4575 cos(1+cos(x))
4576 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4577 a+b
4578 @end example
4579
4580 The last example would be written in C++ in this way:
4581
4582 @example
4583 @{
4584     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4585     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4586     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4587     cout << e.expand() << endl;
4588      // -> a+b
4589 @}
4590 @end example
4591
4592 @subsection Algebraic substitutions
4593 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4594 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4595 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4596 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4597 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4598 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4599 powers.
4600
4601 An example clarifies it all (hopefully):
4602
4603 @example
4604 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4605                                         subs_options::algebraic) << endl;
4606 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4607
4608 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4609 // --> (c+b+a)^2
4610 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4611
4612 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4613                                                                       << endl;
4614 // --> (x+c)^2
4615 // As I said: addition is just the same.
4616
4617 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4618 // --> x^3*b*a^2+2*b
4619
4620 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4621                                                                        << endl;
4622 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4623
4624 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4625 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4626
4627 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4628                                 subs_options::algebraic) << endl;
4629 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4630 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4631 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4632
4633 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4634                                 subs_options::algebraic) << endl;
4635 // --> cos(1+cos(x))
4636
4637 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4638         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4639                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4640 // --> b+a
4641 @end example
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 Expanding and collecting
5016 @cindex @code{expand()}
5017 @cindex @code{collect()}
5018 @cindex @code{collect_common_factors()}
5019
5020 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5021 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5022 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5023 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5024 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5025 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5026 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5027 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5028 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5029 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5030 x*z}.
5031
5032 To bring an expression into expanded form, its method
5033
5034 @example
5035 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5036 @end example
5037
5038 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5039 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5040 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5041 orderings of terms in such sums!
5042
5043 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5044 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5045 being polynomials in the remaining variables.  The method
5046 @code{collect()} accomplishes this task:
5047
5048 @example
5049 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5050 @end example
5051
5052 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5053 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5054 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5055 by the @code{distributed} flag.
5056
5057 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5058 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5059 coefficients properly.
5060
5061 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5062 together with @code{find()}:
5063
5064 @example
5065 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5066 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)
5067 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5068 > collect(a,@{p,q@});
5069 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5070 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5071 > collect(a,find(a,sin($1)));
5072 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5073 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5074 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5075 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5076 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5077 @end example
5078
5079 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5080 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5081
5082 @example
5083 ex collect_common_factors(const ex & e);
5084 @end example
5085
5086 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5087 factors which are already explicitly present:
5088
5089 @example
5090 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5091 (x+y)*a
5092 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5093 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5094 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5095 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5096 @end example
5097
5098 @subsection Degree and coefficients
5099 @cindex @code{degree()}
5100 @cindex @code{ldegree()}
5101 @cindex @code{coeff()}
5102
5103 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5104 methods
5105
5106 @example
5107 int ex::degree(const ex & s);
5108 int ex::ldegree(const ex & s);
5109 @end example
5110
5111 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5112 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5113 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5114 an expanded polynomial you use
5115
5116 @example
5117 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5118 @end example
5119
5120 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5121
5122 @example
5123 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5124 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5125 @end example
5126
5127 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5128 respectively.
5129
5130 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5131 polynomial is analyzed:
5132
5133 @example
5134 @{
5135     symbol x("x"), y("y");
5136     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5137                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5138     ex Poly = PolyInp.expand();
5139     
5140     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5141         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5142              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5143     @}
5144     cout << "As polynomial in y: " 
5145          << Poly.collect(y) << endl;
5146 @}
5147 @end example
5148
5149 When run, it returns an output in the following fashion:
5150
5151 @example
5152 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5153 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5154 The x^2-coefficient is -1
5155 The x^3-coefficient is 4*y
5156 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5157 @end example
5158
5159 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5160 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5161 within the user's sphere of influence.
5162
5163 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5164 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5165 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5166 constants, functions and indexed objects as well:
5167
5168 @example
5169 @{
5170     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5171     idx i(symbol("i"), 3);
5172
5173     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5174     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5175      // -> 4
5176     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5177      // -> -4*cos(x)
5178
5179     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5180     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5181     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5182      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5183 @}
5184 @end example
5185
5186
5187 @subsection Polynomial division
5188 @cindex polynomial division
5189 @cindex quotient
5190 @cindex remainder
5191 @cindex pseudo-remainder
5192 @cindex @code{quo()}
5193 @cindex @code{rem()}
5194 @cindex @code{prem()}
5195 @cindex @code{divide()}
5196
5197 The two functions
5198
5199 @example
5200 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5201 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5202 @end example
5203
5204 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5205 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5206
5207 The additional function
5208
5209 @example
5210 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5211 @end example
5212
5213 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5214 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5215
5216 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5217
5218 @example
5219 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5220 @end example
5221
5222 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5223 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5224 in which case the value of @code{q} is undefined.
5225
5226
5227 @subsection Unit, content and primitive part
5228 @cindex @code{unit()}
5229 @cindex @code{content()}
5230 @cindex @code{primpart()}
5231 @cindex @code{unitcontprim()}
5232
5233 The methods
5234
5235 @example
5236 ex ex::unit(const ex & x);
5237 ex ex::content(const ex & x);
5238 ex ex::primpart(const ex & x);
5239 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5240 @end example
5241
5242 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5243 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5244 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5245 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5246 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5247 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5248 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5249 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5250
5251 Additionally, the method
5252
5253 @example
5254 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5255 @end example
5256
5257 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5258 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5259
5260
5261 @subsection GCD, LCM and resultant
5262 @cindex GCD
5263 @cindex LCM
5264 @cindex @code{gcd()}
5265 @cindex @code{lcm()}
5266
5267 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5268 multiple have the synopsis
5269
5270 @example
5271 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5272 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5273 @end example
5274
5275 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5276 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5277 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5278 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5279 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5280 the coefficients must be rationals.
5281
5282 @example
5283 #include <ginac/ginac.h>
5284 using namespace GiNaC;
5285
5286 int main()
5287 @{
5288     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5289     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5290     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5291
5292     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5293     // x + 5*y + 4*z
5294     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5295     // 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
5296 @}
5297 @end example
5298
5299 @cindex resultant
5300 @cindex @code{resultant()}
5301
5302 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5303 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5304 expressions. The function has the interface
5305
5306 @example
5307 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5308 @end example
5309
5310 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5311 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5312 @code{y}, respectively:
5313
5314 @example
5315 #include <ginac/ginac.h>
5316 using namespace GiNaC;
5317
5318 int main()
5319 @{
5320     symbol x("x"), y("y");
5321
5322     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5323     ex r;
5324     
5325     r = resultant(e1, e2, x); 
5326     // -> 1+2*y^6
5327     r = resultant(e1, e2, y); 
5328     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5329 @}
5330 @end example
5331
5332 @subsection Square-free decomposition
5333 @cindex square-free decomposition
5334 @cindex factorization
5335 @cindex @code{sqrfree()}
5336
5337 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5338 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5339 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5340 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5341 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5342 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5343 one, too:
5344 @example
5345 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5346 @end example
5347 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5348 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5349 some care with subsequent processing of the result:
5350 @example
5351     ...
5352     symbol x("x"), y("y");
5353     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5354
5355     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5356      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5357
5358     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5359      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5360
5361     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5362      // -> depending on luck, any of the above
5363     ...
5364 @end example
5365 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5366 with this method.
5367
5368
5369 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5370 @c    node-name, next, previous, up
5371 @section Rational expressions
5372
5373 @subsection The @code{normal} method
5374 @cindex @code{normal()}
5375 @cindex simplification
5376 @cindex temporary replacement
5377
5378 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5379 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5380 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5381 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5382 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5383 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5384
5385 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5386 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5387 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5388 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5389 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5390 @code{.to_rational()}, described below.
5391
5392 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5393 simplified in this little code snippet:
5394
5395 @example
5396 @{
5397     symbol x("x");
5398     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5399     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5400     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5401     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5402 @}
5403 @end example
5404
5405 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5406 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5407 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5408
5409
5410 @subsection Numerator and denominator
5411 @cindex numerator
5412 @cindex denominator
5413 @cindex @code{numer()}
5414 @cindex @code{denom()}
5415 @cindex @code{numer_denom()}
5416
5417 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5418
5419 @example
5420 ex ex::numer();
5421 ex ex::denom();
5422 ex ex::numer_denom();
5423 @end example
5424
5425 These functions will first normalize the expression as described above and
5426 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5427 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5428 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5429
5430
5431 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5432 @cindex @code{to_polynomial()}
5433 @cindex @code{to_rational()}
5434
5435 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5436 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5437 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5438 above. You do this by calling
5439
5440 @example
5441 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5442 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5443 @end example
5444 or
5445 @example
5446 ex ex::to_rational(exmap & m);
5447 ex ex::to_rational(lst & l);
5448 @end example
5449
5450 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5451 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5452 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5453 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5454 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5455 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5456
5457 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5458 is probably best illustrated with an example:
5459
5460 @example
5461 @{
5462     symbol x("x"), y("y");
5463     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5464     cout << a << endl;
5465
5466     lst lp;
5467     ex p = a.to_polynomial(lp);
5468     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5469      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5470      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5471
5472     lst lr;
5473     ex r = a.to_rational(lr);
5474     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5475      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5476      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5477 @}
5478 @end example
5479
5480 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5481
5482 @example
5483 @{
5484     symbol x("x");
5485     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5486     ex b = sin(x) + cos(x);
5487     ex q;
5488     exmap m;
5489     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5490     cout << q.subs(m) << endl;
5491 @}
5492 @end example
5493
5494
5495 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5496 @c    node-name, next, previous, up
5497 @section Symbolic differentiation
5498 @cindex differentiation
5499 @cindex @code{diff()}
5500 @cindex chain rule
5501 @cindex product rule
5502
5503 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5504 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5505 the derivatives of all the monomials:
5506
5507 @example
5508 @{
5509     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5510     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5511
5512     cout << P.diff(x,2) << endl;
5513      // -> 20*x^3 + 2
5514     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5515      // -> 1
5516     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5517      // -> 0
5518 @}
5519 @end example
5520
5521 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5522 returns the @var{n}th derivative.
5523
5524 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5525 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5526 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5527 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5528 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5529 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5530 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5531 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5532 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5533 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5534 lines:
5535
5536 @cindex Euler numbers
5537 @example
5538 #include <ginac/ginac.h>
5539 using namespace GiNaC;
5540
5541 ex EulerNumber(unsigned n)
5542 @{
5543     symbol x;
5544     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5545     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5546 @}
5547
5548 int main()
5549 @{
5550     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5551         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5552     return 0;
5553 @}
5554 @end example
5555
5556 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5557 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5558 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5559
5560
5561 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5562 @c    node-name, next, previous, up
5563 @section Series expansion
5564 @cindex @code{series()}
5565 @cindex Taylor expansion
5566 @cindex Laurent expansion
5567 @cindex @code{pseries} (class)
5568 @cindex @code{Order()}
5569
5570 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5571 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5572 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5573 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5574 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5575 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5576 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5577 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5578 term).  A sample application from special relativity could read:
5579
5580 @example
5581 #include <ginac/ginac.h>
5582 using namespace std;
5583 using namespace GiNaC;
5584
5585 int main()
5586 @{
5587     symbol v("v"), c("c");
5588     
5589     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5590     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5591     
5592     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5593          << mass_nonrel << endl;
5594     
5595     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5596          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5597 @}
5598 @end example
5599
5600 Only calling the series method makes the last output simplify to
5601 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5602 series raised to the power @math{-2}.
5603
5604 @cindex Machin's formula
5605 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5606 value of Archimedes' constant
5607 @tex
5608 $\pi$
5609 @end tex
5610 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5611 using John Machin's amazing formula
5612 @tex
5613 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5614 @end tex
5615 @ifnottex
5616 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5617 @end ifnottex
5618 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5619 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5620 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5621 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5622 order term with it and the question arises what the system is supposed
5623 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5624 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5625 term off:
5626
5627 @example
5628 #include <ginac/ginac.h>
5629 using namespace GiNaC;
5630
5631 ex machin_pi(int degr)
5632 @{
5633     symbol x;
5634     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5635     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5636                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5637     return pi_approx;
5638 @}
5639
5640 int main()
5641 @{
5642     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5643     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5644     ex pi_frac;
5645     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5646         pi_frac = machin_pi(i);
5647         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5648              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5649     @}
5650     return 0;
5651 @}
5652 @end example
5653
5654 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5655 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5656 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5657 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5658 program, it will type out:
5659
5660 @example
5661 2:      3804/1195
5662         3.1832635983263598326
5663 4:      5359397032/1706489875
5664         3.1405970293260603143
5665 6:      38279241713339684/12184551018734375
5666         3.141621029325034425
5667 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5668         3.141591772182177295
5669 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5670         3.1415926824043995174
5671 @end example
5672
5673
5674 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5675 @c    node-name, next, previous, up
5676 @section Symmetrization
5677 @cindex @code{symmetrize()}
5678 @cindex @code{antisymmetrize()}
5679 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5680
5681 The three methods
5682
5683 @example
5684 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5685 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5686 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5687 @end example
5688
5689 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5690 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5691 weighted by the number of permutations.
5692
5693 The three additional methods
5694
5695 @example
5696 ex ex::symmetrize();
5697 ex ex::antisymmetrize();
5698 ex ex::symmetrize_cyclic();
5699 @end example
5700
5701 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5702
5703 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5704 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5705
5706 @example
5707 @{
5708     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5709     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5710                                            
5711     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5712      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5713     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5714      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5715     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5716      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5717 @}
5718 @end example
5719
5720 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5721 @c    node-name, next, previous, up
5722 @section Predefined mathematical functions
5723 @c
5724 @subsection Overview
5725
5726 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5727
5728 @cartouche
5729 @multitable @columnfractions .30 .70
5730 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5731 @item @code{abs(x)}
5732 @tab absolute value
5733 @cindex @code{abs()}
5734 @item @code{csgn(x)}
5735 @tab complex sign
5736 @cindex @code{conjugate()}
5737 @item @code{conjugate(x)}
5738 @tab complex conjugation
5739 @cindex @code{csgn()}
5740 @item @code{sqrt(x)}
5741 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5742 @cindex @code{sqrt()}
5743 @item @code{sin(x)}
5744 @tab sine
5745 @cindex @code{sin()}
5746 @item @code{cos(x)}
5747 @tab cosine
5748 @cindex @code{cos()}
5749 @item @code{tan(x)}
5750 @tab tangent
5751 @cindex @code{tan()}
5752 @item @code{asin(x)}
5753 @tab inverse sine
5754 @cindex @code{asin()}
5755 @item @code{acos(x)}
5756 @tab inverse cosine
5757 @cindex @code{acos()}
5758 @item @code{atan(x)}
5759 @tab inverse tangent
5760 @cindex @code{atan()}
5761 @item @code{atan2(y, x)}
5762 @tab inverse tangent with two arguments
5763 @item @code{sinh(x)}
5764 @tab hyperbolic sine
5765 @cindex @code{sinh()}
5766 @item @code{cosh(x)}
5767 @tab hyperbolic cosine
5768 @cindex @code{cosh()}
5769 @item @code{tanh(x)}
5770 @tab hyperbolic tangent
5771 @cindex @code{tanh()}
5772 @item @code{asinh(x)}
5773 @tab inverse hyperbolic sine
5774 @cindex @code{asinh()}
5775 @item @code{acosh(x)}
5776 @tab inverse hyperbolic cosine
5777 @cindex @code{acosh()}
5778 @item @code{atanh(x)}
5779 @tab inverse hyperbolic tangent
5780 @cindex @code{atanh()}
5781 @item @code{exp(x)}
5782 @tab exponential function
5783 @cindex @code{exp()}
5784 @item @code{log(x)}
5785 @tab natural logarithm
5786 @cindex @code{log()}
5787 @item @code{Li2(x)}
5788 @tab dilogarithm
5789 @cindex @code{Li2()}
5790 @item @code{Li(m, x)}
5791 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5792 @cindex @code{Li()}
5793 @item @code{G(a, y)}
5794 @tab multiple polylogarithm
5795 @cindex @code{G()}
5796 @item @code{G(a, s, y)}
5797 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5798 @cindex @code{G()}
5799 @item @code{S(n, p, x)}
5800 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5801 @cindex @code{S()}
5802 @item @code{H(m, x)}
5803 @tab harmonic polylogarithm
5804 @cindex @code{H()}
5805 @item @code{zeta(m)}
5806 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5807 @cindex @code{zeta()}
5808 @item @code{zeta(m, s)}
5809 @tab alternating Euler sum
5810 @cindex @code{zeta()}
5811 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5812 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5813 @item @code{tgamma(x)}
5814 @tab gamma function
5815 @cindex @code{tgamma()}
5816 @cindex gamma function
5817 @item @code{lgamma(x)}
5818 @tab logarithm of gamma function
5819 @cindex @code{lgamma()}
5820 @item @code{beta(x, y)}
5821 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5822 @cindex @code{beta()}
5823 @item @code{psi(x)}
5824 @tab psi (digamma) function
5825 @cindex @code{psi()}
5826 @item @code{psi(n, x)}
5827 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5828 @item @code{factorial(n)}
5829 @tab factorial function @math{n!}
5830 @cindex @code{factorial()}
5831 @item @code{binomial(n, k)}
5832 @tab binomial coefficients
5833 @cindex @code{binomial()}
5834 @item @code{Order(x)}
5835 @tab order term function in truncated power series
5836 @cindex @code{Order()}
5837 @end multitable
5838 @end cartouche
5839
5840 @cindex branch cut
5841 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5842 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5843 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5844 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5845 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5846 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5847 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5848 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5849 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5850 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5851 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5852 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5853 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5854 compatible with C99.
5855
5856 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5857 @c    node-name, next, previous, up
5858 @subsection Multiple polylogarithms
5859
5860 @cindex polylogarithm
5861 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5862 @cindex harmonic polylogarithm
5863 @cindex multiple zeta value
5864 @cindex alternating Euler sum
5865 @cindex multiple polylogarithm
5866
5867 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5868 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5869 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5870 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5871 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5872 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5873 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5874 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5875 notations are more natural to the series representation or the integral
5876 representation, respectively.
5877
5878 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5879 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5880 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5881
5882 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5883 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5884 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5885 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5886 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5887 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5888 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5889 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5890 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5891 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5892 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5893
5894 The functions print in LaTeX format as
5895 @tex
5896 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5897 @end tex
5898 @tex
5899 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5900 @end tex
5901 @tex
5902 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5903 @end tex
5904 @tex
5905 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5906 @end tex
5907 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5908 are printed with a line above, e.g.
5909 @tex
5910 $\zeta(5,\overline{2})$.
5911 @end tex
5912 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5913
5914 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5915 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5916 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5917 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5918
5919 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5920 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5921 the series representation. This means
5922 @tex
5923 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5924 @end tex
5925 @tex
5926 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5927 @end tex
5928 @tex
5929 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5930 @end tex
5931 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5932 is reversed.
5933
5934 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5935 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5936 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5937 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5938 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5939 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5940 @tex
5941 $\zeta(\overline{3},4)$
5942 @end tex
5943 and
5944 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5945 @tex
5946 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5947 @end tex
5948 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5949 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5950 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
5951 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5952 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5953 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5954 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5955
5956 @example
5957 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5958 S(2,2,x)
5959 > H(@{-3,2@},1);
5960 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5961 > S(3,1,1);
5962 1/90*Pi^4
5963 @end example
5964
5965 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5966 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5967 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5968 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5969 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5970 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5971
5972 @example
5973 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5974 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5975 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5976 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5977 @end example
5978
5979 Every function can be numerically evaluated for
5980 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5981 global variable @code{Digits}:
5982
5983 @example
5984 > Digits=100;
5985 100
5986 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5987 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5988 @end example
5989
5990 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5991 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5992
5993 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5994 unevaluated, e.g.
5995 @tex
5996 $\zeta(1)$.
5997 @end tex
5998 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5999 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6000 cancellations of divergencies happen.
6001
6002 Useful publications:
6003
6004 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6005 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6006
6007 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6008 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6009
6010 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6011 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6012
6013 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6014 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6015
6016 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
6017 @c    node-name, next, previous, up
6018 @section Complex Conjugation
6019 @c
6020 @cindex @code{conjugate()}
6021
6022 The method
6023
6024 @example
6025 ex ex::conjugate();
6026 @end example
6027
6028 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
6029 conjugation gives the expected results:
6030
6031 @example
6032 @{
6033     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6034     symbol x("x");
6035     realsymbol y("y");
6036                                            
6037     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6038      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6039     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6040      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6041 @}
6042 @end example
6043
6044 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
6045 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
6046 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
6047 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
6048 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
6049
6050 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
6051 @c    node-name, next, previous, up
6052 @section Solving Linear Systems of Equations
6053 @cindex @code{lsolve()}
6054
6055 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6056 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6057 needs to be solved:
6058
6059 @example
6060 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6061           unsigned options = solve_algo::automatic);
6062 @end example
6063
6064 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6065 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6066 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
6067 @code{lst}).
6068
6069 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6070 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6071
6072 @example
6073 @{
6074     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6075     lst eqns, vars;
6076     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6077     vars = x, y;
6078     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6079      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6080 @end example
6081
6082 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6083 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6084 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6085 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6086 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6087 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6088 around that method.
6089
6090
6091 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6092 @c    node-name, next, previous, up
6093 @section Input and output of expressions
6094 @cindex I/O
6095
6096 @subsection Expression output
6097 @cindex printing
6098 @cindex output of expressions
6099
6100 Expressions can simply be written to any stream:
6101
6102 @example
6103 @{
6104     symbol x("x");
6105     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6106     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6107     // ...
6108 @end example
6109
6110 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6111 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6112 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6113 is printed as @samp{x^2}).
6114
6115 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6116 a set of stream manipulators;
6117
6118 @example
6119 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6120 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6121 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6122 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6123 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6124 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6125 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6126 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6127 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6128 @end example
6129
6130 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6131 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6132 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6133
6134 @cindex @code{dflt}
6135 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6136 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6137
6138 @example
6139     // ...
6140     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6141                               // now on
6142     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6143     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6144     cout << dflt;             // revert to default output format
6145     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6146     // ...
6147 @end example
6148
6149 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6150 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6151
6152 @example
6153     // ...
6154     ostringstream s;
6155     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6156     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6157     // ...
6158 @end example
6159
6160 @cindex @code{csrc}
6161 @cindex @code{csrc_float}
6162 @cindex @code{csrc_double}
6163 @cindex @code{csrc_cl_N}
6164 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6165 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6166 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6167 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6168 classes provided by the CLN library):
6169
6170 @example
6171     // ...
6172     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6173     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6174     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6175     // ...
6176 @end example
6177
6178 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6179 @code{x*x}):
6180
6181 @example
6182 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6183 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6184 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6185 @end example
6186
6187 @cindex @code{tree}
6188 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6189 expression for debugging purposes:
6190
6191 @example
6192     // ...
6193     cout << tree << e;
6194 @}
6195 @end example
6196
6197 produces
6198
6199 @example
6200 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6201     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6202         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6203         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6204     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6205     -----
6206     overall_coeff
6207     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6208     =====
6209 @end example
6210
6211 @cindex @code{latex}
6212 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6213 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6214 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6215 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6216 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6217 constructor.
6218
6219 For example, the code snippet
6220
6221 @example
6222 @{
6223     symbol x("x", "\\circ");
6224     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6225     cout << latex << e << endl;
6226 @}
6227 @end example
6228
6229 will print
6230
6231 @example
6232     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6233     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6234 @end example
6235
6236 @cindex @code{index_dimensions}
6237 @cindex @code{no_index_dimensions}
6238 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6239 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6240 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6241 formats:
6242
6243 @example
6244 @{
6245     symbol x("x"), y("y");
6246     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6247     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6248
6249     cout << e << endl;
6250      // prints 'x~mu*y~nu'
6251     cout << index_dimensions << e << endl;
6252      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6253     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6254      // prints 'x~mu*y~nu'
6255 @}
6256 @end example
6257
6258
6259 @cindex Tree traversal
6260 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6261 with other algebra systems or for producing code for different
6262 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6263
6264 @example
6265 static void my_print(const ex & e)
6266 @{
6267     if (is_a<function>(e))
6268         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6269     else
6270         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6271     cout << "(";
6272     size_t n = e.nops();
6273     if (n)
6274         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6275             my_print(e.op(i));
6276             if (i != n-1)
6277                 cout << ",";
6278         @}
6279     else
6280         cout << e;
6281     cout << ")";
6282 @}
6283
6284 int main()
6285 @{
6286     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6287     return 0;
6288 @}
6289 @end example
6290
6291 This will produce
6292
6293 @example
6294 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6295 symbol(y))),numeric(-2)))
6296 @end example
6297
6298 If you need an output format that makes it possible to accurately
6299 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6300 object factory, you should consider storing the expression in an
6301 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6302 See the section on archiving for more information.
6303
6304
6305 @subsection Expression input
6306 @cindex input of expressions
6307
6308 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6309 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6310 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6311 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6312 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6313
6314 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6315 list of symbols to be used:
6316
6317 @example
6318 @{
6319     symbol x("x"), y("y");
6320     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6321 @}
6322 @end example
6323
6324 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6325 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6326 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6327 the list it will throw an exception.
6328
6329 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6330
6331 @example
6332 #include <iostream>
6333 #include <string>
6334 #include <stdexcept>
6335 #include <ginac/ginac.h>
6336 using namespace std;
6337 using namespace GiNaC;
6338
6339 int main()
6340 @{
6341     symbol x("x");
6342     string s;
6343
6344     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6345     getline(cin, s);
6346
6347     try @{
6348         ex e(s, lst(x));
6349         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6350         cout << e.diff(x) << ".\n";
6351     @} catch (exception &p) @{
6352         cerr << p.what() << endl;
6353     @}
6354 @}
6355 @end example
6356
6357
6358 @subsection Archiving
6359 @cindex @code{archive} (class)
6360 @cindex archiving
6361
6362 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6363 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6364 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6365 expression a unique name:
6366
6367 @example
6368 #include <fstream>
6369 using namespace std;
6370 #include <ginac/ginac.h>
6371 using namespace GiNaC;
6372
6373 int main()
6374 @{
6375     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6376
6377     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6378     ex bar = foo + 1;
6379
6380     archive a;
6381     a.archive_ex(foo, "foo");
6382     a.archive_ex(bar, "the second one");
6383     // ...
6384 @end example
6385
6386 The archive can then be written to a file:
6387
6388 @example
6389     // ...
6390     ofstream out("foobar.gar");
6391     out << a;
6392     out.close();
6393     // ...
6394 @end example
6395
6396 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6397 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6398
6399 @cindex @command{viewgar}
6400 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6401 the contents of GiNaC archive files:
6402
6403 @example
6404 $ viewgar foobar.gar
6405 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6406 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6407 @end example
6408
6409 The point of writing archive files is of course that they can later be
6410 read in again:
6411
6412 @example
6413     // ...
6414     archive a2;
6415     ifstream in("foobar.gar");
6416     in >> a2;
6417     // ...
6418 @end example
6419
6420 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6421
6422 @example
6423     // ...
6424     lst syms;
6425     syms = x, y;
6426
6427     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6428     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6429
6430     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6431     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6432     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6433 @}
6434 @end example
6435
6436 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6437 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6438 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6439 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6440 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6441 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6442 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6443 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6444
6445 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6446 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6447 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6448 functions that let you access the stored properties:
6449
6450 @example
6451 static void my_print2(const archive_node & n)
6452 @{
6453     string class_name;
6454     n.find_string("class", class_name);
6455     cout << class_name << "(";
6456
6457     archive_node::propinfovector p;
6458     n.get_properties(p);
6459
6460     size_t num = p.size();
6461     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6462         const string &name = p[i].name;
6463         if (name == "class")
6464             continue;
6465         cout << name << "=";
6466
6467         unsigned count = p[i].count;
6468         if (count > 1)
6469             cout << "@{";
6470
6471         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6472             switch (p[i].type) @{
6473                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6474                     bool x;
6475                     n.find_bool(name, x, j);
6476                     cout << (x ? "true" : "false");
6477                     break;
6478                 @}
6479                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6480                     unsigned x;
6481                     n.find_unsigned(name, x, j);
6482                     cout << x;
6483                     break;
6484                 @}
6485                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6486                     string x;
6487                     n.find_string(name, x, j);
6488                     cout << '\"' << x << '\"';
6489                     break;
6490                 @}
6491                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6492                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6493                     my_print2(x);
6494                     break;
6495                 @}
6496             @}
6497
6498             if (j != count-1)
6499                 cout << ",";
6500         @}
6501
6502         if (count > 1)
6503             cout << "@}";
6504
6505         if (i != num-1)
6506             cout << ",";
6507     @}
6508
6509     cout << ")";
6510 @}
6511
6512 int main()
6513 @{
6514     ex e = pow(2, x) - y;
6515     archive ar(e, "e");
6516     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6517     return 0;
6518 @}
6519 @end example
6520
6521 This will produce:
6522
6523 @example
6524 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6525 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6526 overall_coeff=numeric(number="0"))
6527 @end example
6528
6529 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6530 class may change between GiNaC versions.
6531
6532
6533 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6534 @c    node-name, next, previous, up
6535 @chapter Extending GiNaC
6536
6537 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6538 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6539 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6540 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6541 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6542 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6543
6544 @menu
6545 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6546 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6547 * Printing::                         Adding new output formats.
6548 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6549 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6550 @end menu
6551
6552
6553 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6554 @c    node-name, next, previous, up
6555 @section What doesn't belong into GiNaC
6556
6557 @cindex @command{ginsh}
6558 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6559 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6560 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6561 language.  There are no loops or conditional expressions in
6562 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6563 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6564 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6565 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6566 the future.
6567
6568 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6569 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6570 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6571 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6572 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6573 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6574 provided by CLN are much better suited.
6575
6576
6577 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6578 @c    node-name, next, previous, up
6579 @section Symbolic functions
6580
6581 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6582 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6583 two preprocessor macros:
6584
6585 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6586 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6587 @example
6588 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6589 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6590 @end example
6591
6592 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6593 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6594 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6595 @code{function} object that represents your function.
6596
6597 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6598 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6599 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6600 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6601 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6602 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6603 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6604 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6605
6606 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6607 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6608 done our best to avoid macros where we can.)
6609
6610 @subsection A minimal example
6611
6612 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6613 that is not further evaluated:
6614
6615 @example
6616 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6617
6618 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6619 @end example
6620
6621 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6622 in algebraic expressions:
6623
6624 @example
6625 @{
6626     ...
6627     symbol x("x");
6628     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6629     cout << e << endl;
6630      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6631     ...
6632 @}
6633 @end example
6634
6635 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6636 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6637 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6638 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6639
6640 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6641 example of how to make an "intelligent" function.
6642
6643 @subsection The cosine function
6644
6645 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6646
6647 @example
6648 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6649 @end example
6650
6651 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6652 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6653 this function in expressions.
6654
6655 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6656 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6657
6658 @example
6659 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6660                        evalf_func(cos_evalf).
6661                        derivative_func(cos_deriv).
6662                        latex_name("\\cos"));
6663 @end example
6664
6665 There are four options defined for the cosine function. One of them
6666 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6667 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6668 function are defined.
6669
6670 @cindex @code{hold()}
6671 @cindex evaluation
6672 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6673 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6674 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6675 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6676 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6677 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6678 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6679 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6680 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6681 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6682 somewhere.
6683
6684 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6685 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6686 what is going on):
6687
6688 @example
6689 static ex cos_eval(const ex & x)
6690 @{
6691     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6692         return 1;
6693     else if ("x is a multiple of Pi")
6694         return -1;
6695     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6696         return 0;
6697     // more rules...
6698
6699     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6700         return y;
6701     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6702         return sqrt(1-y^2);
6703     // more rules...
6704
6705     else
6706         return cos(x).hold();
6707 @}
6708 @end example
6709
6710 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6711
6712 @example
6713 @{
6714     ...
6715     e = cos(Pi);
6716      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6717      // the actual expression
6718     cout << e << endl;
6719      // prints '-1'
6720     ...
6721 @}
6722 @end example
6723
6724 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6725 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6726 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6727 with @code{.hold()}.
6728
6729 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6730 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6731 different function:
6732
6733 @example
6734 static ex cos_evalf(const ex & x)
6735 @{
6736     if (is_a<numeric>(x))
6737         return cos(ex_to<numeric>(x));
6738     else
6739         return cos(x).hold();
6740 @}
6741 @end example
6742
6743 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6744 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6745 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6746 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6747 function would require it in this place.
6748
6749 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6750 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6751 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6752 @code{ex::diff}):
6753
6754 @example
6755 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6756 @{
6757     return -sin(x);
6758 @}
6759 @end example
6760
6761 @cindex product rule
6762 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6763 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6764 case the function has more than one parameter, and its main application
6765 is for correct handling of the chain rule.
6766
6767 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6768 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6769 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6770 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6771
6772 @example
6773 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6774                      int order, unsigned options)
6775 @{
6776     // Find the actual expansion point
6777     const ex x_pt = x.subs(rel);
6778
6779     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6780         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6781
6782     // On a pole, expand sin()/cos()
6783     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6784 @}
6785 @end example
6786
6787 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6788 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6789
6790 @subsection Function options
6791
6792 GiNaC functions understand several more options which are always
6793 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6794 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6795 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6796 functions without any special options.
6797
6798 @example
6799 eval_func(<C++ function>)
6800 evalf_func(<C++ function>)
6801 derivative_func(<C++ function>)
6802 series_func(<C++ function>)
6803 conjugate_func(<C++ function>)
6804 @end example
6805
6806 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6807 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6808 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6809 @code{diff()} and @code{series()}.
6810
6811 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6812 automatic evaluation is desired or possible.
6813
6814 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6815 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6816 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6817 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6818 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6819 suitable transformation.
6820
6821 @example
6822 latex_name(const string & n)
6823 @end example
6824
6825 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6826 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6827
6828 @example
6829 do_not_evalf_params()
6830 @end example
6831
6832 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6833 function before calling the @code{evalf_func()}.
6834
6835 @example
6836 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6837 @end example
6838
6839 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6840 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6841 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6842 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6843 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6844 commutation properties of their first argument.
6845
6846 @example
6847 set_symmetry(const symmetry & s)
6848 @end example
6849
6850 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6851 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6852 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6853 symmetric functions into a canonical order.
6854
6855 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6856 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6857 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6858 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6859 with the
6860
6861 @example
6862 print_func<C>(<C++ function>)
6863 @end example
6864
6865 option which is explained in the next section.
6866
6867 @subsection Functions with a variable number of arguments
6868
6869 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6870 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6871 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6872 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6873 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6874
6875 It is also possible to define functions that accept a different number of
6876 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6877 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6878 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6879 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6880 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6881 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6882 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6883 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6884
6885
6886 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6887 @c    node-name, next, previous, up
6888 @section GiNaC's expression output system
6889
6890 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6891 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6892 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6893 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6894 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6895 functions.
6896
6897 @cindex @code{print_context} (class)
6898 @cindex @code{print_dflt} (class)
6899 @cindex @code{print_latex} (class)
6900 @cindex @code{print_tree} (class)
6901 @cindex @code{print_csrc} (class)
6902 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6903 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6904 header file:
6905
6906 @table @code
6907 @item print_dflt
6908 the default output format
6909 @item print_latex
6910 output in LaTeX mathematical mode
6911 @item print_tree
6912 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6913 @item print_csrc
6914 the base class for C source output
6915 @item print_csrc_float
6916 C source output using the @code{float} type
6917 @item print_csrc_double
6918 C source output using the @code{double} type
6919 @item print_csrc_cl_N
6920 C source output using CLN types
6921 @end table
6922
6923 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6924
6925 @example
6926 class print_context
6927 @{
6928     ...
6929 public:
6930     std::ostream & s;
6931     unsigned options;
6932 @};
6933 @end example
6934
6935 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6936 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6937 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6938 to print the index dimension which is normally hidden.
6939
6940 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6941 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6942 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6943 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6944
6945 @cindex @code{print()}
6946 @example
6947 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6948 @end example
6949
6950 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6951 top-level algebraic object contained in the expression.
6952
6953 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6954 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6955 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6956 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6957 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6958 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6959 (single) virtual function dispatch.
6960
6961 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6962 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6963 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6964 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6965 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6966 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6967 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6968 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6969 object's class name enclosed in square brackets).
6970
6971 You can think of the print methods of all the different classes and output
6972 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6973 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6974 classes.
6975
6976 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6977 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6978 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6979 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6980 methods at run-time).
6981
6982 @subsection Print methods for classes
6983
6984 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6985 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6986 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6987 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6988 can also be used to override existing methods dynamically.
6989
6990 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6991 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6992 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6993 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6994 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6995 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6996 the class is the one being implemented by
6997 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6998
6999 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7000 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7001 @code{unsigned}.
7002
7003 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7004 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7005 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7006 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7007 private and protected members of @code{T}.
7008
7009 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7010 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7011 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7012 purposes if you write your own output formats.
7013
7014 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7015 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7016 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7017 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7018
7019 @example
7020 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7021                              const print_latex & c,
7022                              unsigned level)
7023 @{
7024     // get the precedence of the 'power' class
7025     unsigned power_prec = p.precedence();
7026
7027     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7028     // we need parentheses around the power
7029     if (level >= power_prec)
7030         c.s << '(';
7031
7032     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7033     // separated by an uparrow
7034     c.s << '@{';
7035     p.op(0).print(c, power_prec);
7036     c.s << "@}\\uparrow@{";
7037     p.op(1).print(c, power_prec);
7038     c.s << '@}';
7039
7040     // don't forget the closing parenthesis
7041     if (level >= power_prec)
7042         c.s << ')';
7043 @}
7044                                                                                 
7045 int main()
7046 @{
7047     // a sample expression
7048     symbol x("x"), y("y");
7049     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7050
7051     // switch to LaTeX mode
7052     cout << latex;
7053
7054     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7055     cout << e << endl;
7056
7057     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7058     // our own one
7059     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7060
7061     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7062     //              \uparrow@{2@}@}"
7063     cout << e << endl;
7064 @}
7065 @end example
7066
7067 Some notes:
7068
7069 @itemize
7070
7071 @item
7072 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7073 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7074
7075 @item
7076 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7077 @code{power} objects for the purpose of printing.
7078
7079 @item
7080 The output of products including negative powers as fractions is also
7081 controlled by the @code{mul} class.
7082
7083 @item
7084 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7085 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7086
7087 @end itemize
7088
7089 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7090 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7091 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7092 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7093 sources, find the method that is installed at startup
7094 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7095 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7096
7097 @subsection Print methods for functions
7098
7099 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7100 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7101 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7102 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7103 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7104
7105 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7106
7107 @example
7108 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7109 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7110                                                                                 
7111 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7112 @{
7113     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7114 @}
7115                                                                                 
7116 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7117 @{
7118     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7119 @}
7120                                                                                 
7121 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7122                        evalf_func(abs_evalf).
7123                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7124                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7125                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7126 @end example
7127
7128 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7129 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7130
7131 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7132
7133 @subsection Adding new output formats
7134
7135 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7136 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7137 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7138 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7139 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7140 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7141 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7142 options value.
7143
7144 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7145
7146 @example
7147 class print_myformat : public print_dflt
7148 @{
7149     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7150 public:
7151     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7152      : print_dflt(os, opt) @{@}
7153 @};
7154
7155 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7156
7157 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7158 @end example
7159
7160 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7161 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7162 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7163 format are implemented as print methods, as described above.
7164
7165 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7166 exactly like GiNaC's default output format:
7167
7168 @example
7169 @{
7170     symbol x("x");
7171     ex e = pow(x, 2) + 1;
7172
7173     // this prints "1+x^2"
7174     cout << e << endl;
7175     
7176     // this also prints "1+x^2"
7177     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7178
7179     ...
7180 @}
7181 @end example
7182
7183 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7184 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7185
7186 @example
7187 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7188 // example above for explanations.
7189 void print_power_as_myformat(const power & p,
7190                              const print_myformat & c,
7191                              unsigned level)
7192 @{
7193     unsigned power_prec = p.precedence();
7194     if (level >= power_prec)
7195         c.s << '(';
7196     p.op(0).print(c, power_prec);
7197     c.s << "**";
7198     p.op(1).print(c, power_prec);
7199     if (level >= power_prec)
7200         c.s << ')';
7201 @}
7202
7203 @{
7204     ...
7205     // install a new print method for power objects
7206     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7207
7208     // now this prints "1+x**2"
7209     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7210
7211     // but the default format is still "1+x^2"
7212     cout << e << endl;
7213 @}
7214 @end example
7215
7216
7217 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7218 @c    node-name, next, previous, up
7219 @section Structures
7220
7221 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7222 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7223 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7224 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7225 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7226
7227 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7228 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7229 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7230 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7231 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7232 read both sections because many common concepts and member functions are
7233 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7234 is most suited to your needs.
7235
7236 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7237 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7238 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7239
7240 @subsection Example: scalar products
7241
7242 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7243 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7244 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7245 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7246 product in a C++ @code{struct}:
7247
7248 @example
7249 #include <iostream>
7250 using namespace std;
7251
7252 #include <ginac/ginac.h>
7253 using namespace GiNaC;
7254
7255 struct sprod_s @{
7256     ex left, right;
7257
7258     sprod_s() @{@}
7259     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7260 @};
7261 @end example
7262
7263 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7264 data structure, we need only one line:
7265
7266 @example
7267 typedef structure<sprod_s> sprod;
7268 @end example
7269
7270 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7271 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7272 expressions like any other GiNaC class:
7273
7274 @example
7275 ...
7276     symbol a("a"), b("b");
7277     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7278 ...
7279 @end example
7280
7281 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7282 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7283 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7284 constructed from an @code{sprod_s} object.
7285
7286 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7287 you could define a little wrapper function like this:
7288
7289 @example
7290 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7291 @{
7292     return sprod(sprod_s(left, right));
7293 @}
7294 @end example
7295
7296 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7297 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7298 @code{get_struct()}:
7299
7300 @example
7301 ...
7302     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7303      // -> a
7304     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7305      // -> b
7306 ...
7307 @end example
7308
7309 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7310
7311 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7312 that deal with scalar products, for example:
7313
7314 @example
7315 ex swap_sprod(ex p)
7316 @{
7317     if (is_a<sprod>(p)) @{
7318         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7319         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7320     @} else
7321         return p;
7322 @}
7323
7324 ...
7325     f = swap_sprod(e);
7326      // f is now <b|a>
7327 ...
7328 @end example
7329
7330 @subsection Structure output
7331
7332 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7333 desired, most notably proper output:
7334
7335 @example
7336 ...
7337     cout << e << endl;
7338      // -> [structure object]
7339 ...
7340 @end example
7341
7342 By default, any structure types you define will be printed as
7343 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7344 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7345 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7346 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7347 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7348 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7349
7350 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7351 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7352
7353 @example
7354 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7355 @{
7356     // tree debug output handled by superclass
7357     if (is_a<print_tree>(c))
7358         inherited::print(c, level);
7359
7360     // get the contained sprod_s object
7361     const sprod_s & sp = get_struct();
7362
7363     // print_context::s is a reference to an ostream
7364     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7365 @}
7366 @end example
7367
7368 Now we can print expressions containing scalar products:
7369
7370 @example
7371 ...
7372     cout << e << endl;
7373      // -> <a|b>
7374     cout << swap_sprod(e) << endl;
7375      // -> <b|a>
7376 ...
7377 @end example
7378
7379 @subsection Comparing structures
7380
7381 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7382 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7383 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7384 and undesired behavior:
7385
7386 @example
7387 ...
7388     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7389      // -> 0
7390     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7391      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7392 ...
7393 @end example
7394
7395 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7396 for objects of type @code{sprod_s}:
7397
7398 @example
7399 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7400 @{
7401     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7402 @}
7403
7404 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7405 @{
7406     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7407            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7408 @}
7409 @end example
7410
7411 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7412 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7413 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7414 in the implementation of these operators because they would construct
7415 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7416 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7417 decide which one is algebraically 'less').
7418
7419 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7420 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7421
7422 @example
7423 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7424 @end example
7425
7426 @code{sprod} objects then behave as expected:
7427
7428 @example
7429 ...
7430     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7431      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7432     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7433      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7434     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7435      // -> 0
7436     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7437      // -> 2*<a|b>
7438 ...
7439 @end example
7440
7441 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7442 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7443 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7444 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7445 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7446 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7447
7448 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7449 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7450 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7451 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7452 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7453 undefined value) that the @code{T} class might have.
7454
7455 @subsection Subexpressions
7456
7457 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7458 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7459 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7460
7461 @example
7462 size_t sprod::nops() const
7463 @{
7464     return 2;
7465 @}
7466
7467 ex sprod::op(size_t i) const
7468 @{
7469     switch (i) @{
7470     case 0:
7471         return get_struct().left;
7472     case 1:
7473         return get_struct().right;
7474     default:
7475         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7476     @}
7477 @}
7478 @end example
7479
7480 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7481 @code{sprod} has two other nice side effects:
7482
7483 @itemize @bullet
7484 @item
7485 @code{has()} works as expected
7486 @item
7487 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7488 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7489 @end itemize
7490
7491 @cindex @code{let_op()}
7492 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7493 allows replacing subexpressions:
7494
7495 @example
7496 ex & sprod::let_op(size_t i)
7497 @{
7498     // every non-const member function must call this
7499     ensure_if_modifiable();
7500
7501     switch (i) @{
7502     case 0:
7503         return get_struct().left;
7504     case 1:
7505         return get_struct().right;
7506     default:
7507         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7508     @}
7509 @}
7510 @end example
7511
7512 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7513 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7514 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7515 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7516
7517 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7518 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7519 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7520 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7521 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7522 This is left as an exercise for the reader.
7523
7524 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7525 you can override by specialization to customize the behavior of your
7526 structures. You are referred to the next section for a description of
7527 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7528 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7529 @code{structure<T>} template: archiving.
7530
7531 @subsection Archiving structures
7532
7533 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7534 should first read the next section and then come back here. You're back?
7535 Good.
7536
7537 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7538 specializations for the @code{archive()} member function and the
7539 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7540 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7541 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7542 the class of an object is stored as a string, the class name.
7543
7544 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7545 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7546 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7547 need to provide a different name for each by specializing the
7548 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7549 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7550
7551 @example
7552 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7553
7554 void sprod::archive(archive_node & n) const
7555 @{
7556     inherited::archive(n);
7557     n.add_ex("left", get_struct().left);
7558     n.add_ex("right", get_struct().right);
7559 @}
7560
7561 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7562 @{
7563     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7564     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7565 @}
7566 @end example
7567
7568 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7569 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7570 @code{sprod::unarchive()} function.
7571
7572
7573 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7574 @c    node-name, next, previous, up
7575 @section Adding classes
7576
7577 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7578 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7579 severe of which being that you can't add any new member functions to
7580 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7581 from scratch.
7582
7583 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7584 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7585 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7586 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7587 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7588 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7589 representing tensor products is more involved but this section should give
7590 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7591 classes if you want to implement something more complicated.
7592
7593 @subsection GiNaC's run-time type information system
7594
7595 @cindex hierarchy of classes
7596 @cindex RTTI
7597 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7598 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7599 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7600 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7601 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7602 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7603 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7604 system that provides this kind of information is called a run-time type
7605 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7606 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7607 implements its own, simpler RTTI.
7608
7609 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7610
7611 @itemize @bullet
7612
7613 @item
7614 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7615 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7616 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7617 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7618
7619 @item
7620 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7621 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7622 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7623 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7624 @file{registrar.h} header file.
7625
7626 @end itemize
7627
7628 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7629 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7630 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7631 macros.
7632
7633 @subsection A minimalistic example
7634
7635 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7636 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7637 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7638 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7639 for your own classes.
7640
7641 The code snippets given here assume that you have included some header files
7642 as follows:
7643
7644 @example
7645 #include <iostream>
7646 #include <string>   
7647 #include <stdexcept>
7648 using namespace std;
7649
7650 #include <ginac/ginac.h>
7651 using namespace GiNaC;
7652 @end example
7653
7654 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7655 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7656 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7657 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7658 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7659 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7660
7661 @example
7662 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7663 @end example
7664
7665 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7666 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7667 object from a C or C++ string:
7668
7669 @example
7670 class mystring : public basic
7671 @{
7672     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7673   
7674 public:
7675     mystring(const string &s);
7676     mystring(const char *s);
7677
7678 private:
7679     string str;
7680 @};
7681
7682 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7683 @end example
7684
7685 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7686 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7687 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7688 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7689 the first line after the opening brace of the class definition. The
7690 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7691 source (at global scope, of course, not inside a function).
7692
7693 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7694 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7695 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7696 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7697 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7698 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7699 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7700 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7701
7702 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7703 class:
7704
7705 @itemize
7706
7707 @item
7708 @code{mystring()}, the default constructor.
7709
7710 @item
7711 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7712 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7713 @code{archive_node}.
7714
7715 @item
7716 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7717 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7718 found in an @code{archive_node}.
7719
7720 @item
7721 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7722 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7723 constructor.
7724
7725 @item
7726 @cindex @code{compare_same_type()}
7727 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7728 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7729 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7730 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7731 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7732 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7733 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7734 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7735 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7736 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7737 defined.
7738
7739 @item
7740 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7741 which are the two constructors we declared.
7742
7743 @end itemize
7744
7745 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7746
7747 @example
7748 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7749 @end example
7750
7751 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7752 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7753 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7754 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7755 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7756 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7757 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7758 to the right value manually.
7759
7760 In the default constructor you should set all other member variables to
7761 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7762 member gets set to an empty string automatically).
7763
7764 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7765 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7766 is really simple.  First, the archiving function:
7767
7768 @example
7769 void mystring::archive(archive_node &n) const
7770 @{
7771     inherited::archive(n);
7772     n.add_string("string", str);
7773 @}
7774 @end example
7775
7776 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7777 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7778 deem necessary for representing the object into the passed
7779 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7780 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7781 file.
7782
7783 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7784 function:
7785
7786 @example
7787 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7788 @{
7789     n.find_string("string", str);
7790 @}
7791 @end example
7792
7793 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7794 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7795 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7796 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7797
7798 Finally, the unarchiving function:
7799
7800 @example
7801 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7802 @{
7803     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7804 @}
7805 @end example
7806
7807 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7808 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7809 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7810 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7811 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7812 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7813 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7814 automatically once it is no longer referenced.
7815
7816 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7817 the string members:
7818
7819 @example
7820 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7821 @{
7822     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7823     int cmpval = str.compare(o.str);
7824     if (cmpval == 0)
7825         return 0;
7826     else if (cmpval < 0)
7827         return -1;
7828     else
7829         return 1;
7830 @}
7831 @end example
7832
7833 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7834 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7835 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7836 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7837 all relevant member variables.
7838
7839 Now the only thing missing is our two new constructors:
7840
7841 @example
7842 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7843 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7844 @end example
7845
7846 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7847 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7848
7849 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7850 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7851
7852 @example
7853 ex e = mystring("Hello, world!");
7854 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7855  // -> 1 (true)
7856
7857 cout << e.bp->class_name() << endl;
7858  // -> mystring
7859 @end example
7860
7861 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7862
7863 @example
7864 cout << e << endl;
7865  // -> [mystring object]
7866 @end example
7867
7868 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7869 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7870 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7871 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7872 surrounded by double quotes:
7873
7874 @example
7875 class mystring : public basic
7876 @{
7877     ...
7878 protected:
7879     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7880     ...
7881 @};
7882
7883 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7884 @{
7885     // print_context::s is a reference to an ostream
7886     c.s << '\"' << str << '\"';
7887 @}
7888 @end example
7889
7890 The @code{level} argument is only required for container classes to
7891 correctly parenthesize the output.
7892
7893 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7894 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7895 replace the line
7896
7897 @example
7898 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7899 @end example
7900
7901 with
7902
7903 @example
7904 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7905   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7906 @end example
7907
7908 Let's try again to print the expression:
7909
7910 @example
7911 cout << e << endl;
7912  // -> "Hello, world!"
7913 @end example
7914
7915 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7916 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7917 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7918 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7919 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7920 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7921 way expression output is implemented in GiNaC.
7922
7923 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7924
7925 @example
7926 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7927 cout << e << endl;
7928  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7929 @end example
7930
7931 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7932
7933 @example
7934 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7935 cout << e << endl;
7936  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7937 @end example
7938
7939 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7940 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7941 for your objects.
7942
7943 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7944
7945 @example
7946 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7947 cout << e << endl;
7948  // -> "Wow"^2
7949
7950 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7951 cout << e.expand() << endl;
7952  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7953 @end example
7954
7955 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7956 concatenation. You would have to implement this yourself.
7957
7958 @subsection Automatic evaluation
7959
7960 @cindex evaluation
7961 @cindex @code{eval()}
7962 @cindex @code{hold()}
7963 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7964 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7965 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7966 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7967 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7968 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7969
7970 @example
7971 class mystring : public basic
7972 @{
7973     ...
7974 public:
7975     ex eval(int level = 0) const;
7976     ...
7977 @};
7978
7979 ex mystring::eval(int level) const
7980 @{
7981     string new_str;
7982     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7983         char c = str[i];
7984         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7985             new_str += tolower(c);
7986         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7987             new_str += c;
7988     @}
7989
7990     if (new_str.length() == 0)
7991         return 0;
7992     else
7993         return mystring(new_str).hold();
7994 @}
7995 @end example
7996
7997 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7998 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7999 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8000 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8001 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8002 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8003 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8004 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8005
8006 Let's confirm that it works:
8007
8008 @example
8009 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8010 cout << e << endl;
8011  // -> "helloworld"
8012
8013 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8014 cout << e << endl;
8015  // -> 3*"wow"
8016 @end example
8017
8018 @subsection Optional member functions
8019
8020 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8021 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8022 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8023
8024 @cindex @code{calchash()}
8025 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8026 @example
8027 unsigned calchash() const;
8028 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8029 @end example
8030
8031 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8032 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8033 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8034 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8035 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8036 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8037
8038 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8039 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8040 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8041 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8042
8043 @subsection Other member functions
8044
8045 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8046 might want to provide:
8047
8048 @example
8049 bool info(unsigned inf) const;
8050 ex evalf(int level = 0) const;
8051 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8052 ex derivative(const symbol & s) const;
8053 @end example
8054
8055 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8056 previous section) you will probably want to override
8057
8058 @cindex @code{let_op()}
8059 @example
8060 size_t nops() cont;
8061 ex op(size_t i) const;
8062 ex & let_op(size_t i);
8063 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8064 ex map(map_function & f) const;
8065 @end example
8066
8067 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8068 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8069 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8070
8071 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8072 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8073 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8074 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8075 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8076 should become a need.
8077
8078 That's it. May the source be with you!
8079
8080
8081 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8082 @c    node-name, next, previous, up
8083 @chapter A Comparison With Other CAS
8084 @cindex advocacy
8085
8086 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8087 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8088 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8089 disadvantages over these systems.
8090
8091 @menu
8092 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8093 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8094 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8095 @end menu
8096
8097 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8098 @c    node-name, next, previous, up
8099 @section Advantages
8100
8101 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8102 Algebra Systems, like 
8103
8104 @itemize @bullet
8105
8106 @item
8107 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8108 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8109 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8110 in common C++, which is standardized.
8111
8112 @cindex STL
8113 @item
8114 structured data types: you can build up structured data types using
8115 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8116 using unnamed lists of lists of lists.
8117
8118 @item
8119 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8120 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8121 nice for novice programmers, but dangerous.
8122     
8123 @item
8124 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8125 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8126 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8127
8128 @item
8129 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8130 separating interface and implementation.
8131
8132 @item
8133 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8134 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8135 C++-compilers for free, too.
8136     
8137 @item
8138 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8139 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8140 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8141 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8142 fix bugs in a traditional system.
8143
8144 @item
8145 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8146 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8147 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8148 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8149 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8150 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8151 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8152 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8153 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8154 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8155 FTP-site.
8156
8157 @item
8158 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8159 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8160 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8161 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8162 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8163 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8164 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8165 system (i.e. @emph{Yacas}).
8166
8167 @item
8168 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8169 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8170 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8171 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8172 speed with other CAS.
8173
8174 @end itemize
8175
8176
8177 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8178 @c    node-name, next, previous, up
8179 @section Disadvantages
8180
8181 Of course it also has some disadvantages:
8182
8183 @itemize @bullet
8184
8185 @item
8186 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8187 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8188 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8189 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8190 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8191 not planned for the near future).
8192
8193 @item
8194 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8195 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8196 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8197 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8198 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8199 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8200 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8201 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8202 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8203 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8204 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8205 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8206 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8207 yet ANSI compliant, support all needed features.
8208     
8209 @end itemize
8210
8211
8212 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8213 @c    node-name, next, previous, up
8214 @section Why C++?
8215
8216 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8217 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8218 possible), separation between interface and implementation is not
8219 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8220 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8221 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8222 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8223 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8224 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8225 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8226 any other programming language.
8227
8228
8229 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8230 @c    node-name, next, previous, up
8231 @appendix Internal Structures
8232
8233 @menu
8234 * Expressions are reference counted::
8235 * Internal representation of products and sums::
8236 @end menu
8237
8238 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8239 @c    node-name, next, previous, up
8240 @appendixsection Expressions are reference counted
8241
8242 @cindex reference counting
8243 @cindex copy-on-write
8244 @cindex garbage collection
8245 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8246 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8247 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8248 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8249 skip the rest of this passage.
8250
8251 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8252 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8253 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8254 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8255 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8256 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8257 of code:
8258
8259 @example
8260 #include <iostream>
8261 #include <ginac/ginac.h>
8262 using namespace std;
8263 using namespace GiNaC;
8264
8265 int main()
8266 @{
8267     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8268     ex e1, e2;
8269
8270     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8271     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8272     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8273     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8274     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8275 @}
8276 @end example
8277
8278 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8279 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8280 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8281 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8282 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8283 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8284 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8285 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8286 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8287 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8288 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8289 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8290 can be:
8291
8292 @example
8293 @{
8294     symbol x("x"), y("y");
8295
8296     ex e1 = x + 3*y;
8297     ex e2 = pow(e1, 3);
8298     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8299     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8300          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8301          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8302 @}
8303 @end example
8304
8305 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8306 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8307 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8308 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8309 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8310 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8311 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8312 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8313 @code{3*e1^2}.
8314
8315 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8316 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8317 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8318 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8319 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8320 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8321 semantics, we recommend you have a look at the
8322 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8323 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8324 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8325
8326
8327 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8328 @c    node-name, next, previous, up
8329 @appendixsection Internal representation of products and sums
8330
8331 @cindex representation
8332 @cindex @code{add}
8333 @cindex @code{mul}
8334 @cindex @code{power}
8335 Although it should be completely transparent for the user of
8336 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8337 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8338 unexpanded symbolic expression 
8339 @tex
8340 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8341 @end tex
8342 @ifnottex
8343 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8344 @end ifnottex
8345 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8346 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8347 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8348 fashion:
8349
8350 @image{repnaive}
8351
8352 @cindex pair-wise representation
8353 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8354 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8355 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8356 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8357 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8358 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8359 becomes much more flat:
8360
8361 @image{reppair}
8362
8363 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8364 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8365 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8366 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8367 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8368 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8369 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8370 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8371 representation, however, since they are still carrying a trivial
8372 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8373 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8374 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8375 representation for
8376 @tex
8377 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8378 @end tex
8379 @ifnottex
8380 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8381 @end ifnottex
8382
8383 @image{repreal}
8384
8385 @cindex radical
8386 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8387 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8388 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8389 same abstract class: the data representation is the same, only the
8390 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8391 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8392 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8393
8394
8395 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8396 @c    node-name, next, previous, up
8397 @appendix Package Tools
8398
8399 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8400 setting the correct command line options for the compiler and linker
8401 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8402
8403 @menu
8404 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8405 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8406 @end menu
8407
8408
8409 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8410 @c    node-name, next, previous, up
8411 @section @command{ginac-config}
8412 @cindex ginac-config
8413
8414 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8415 the compiler and linker command line options required to compile and
8416 link a program with the GiNaC library.
8417
8418 @command{ginac-config} takes the following flags:
8419
8420 @table @samp
8421 @item --version
8422 Prints out the version of GiNaC installed.
8423 @item --cppflags
8424 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8425 @item --libs
8426 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8427 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8428 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8429 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8430 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8431 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8432 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8433 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8434 @end table
8435
8436 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8437 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8438 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8439 example:
8440
8441 @example
8442 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8443 @end example
8444
8445 This command line might expand to (for example):
8446
8447 @example
8448 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8449   -lginac -lcln -lstdc++
8450 @end example
8451
8452 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8453 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8454
8455
8456 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8457 @c    node-name, next, previous, up
8458 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8459 @cindex AM_PATH_GINAC
8460
8461 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8462 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8463
8464 @example
8465 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8466               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8467 @end example
8468
8469 This macro:
8470
8471 @itemize @bullet
8472
8473 @item
8474 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8475 either found in the user's path, or from the environment variable
8476 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8477
8478 @item
8479 Tests the installed libraries to make sure that their version
8480 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8481 if not specified)
8482
8483 @item
8484 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8485 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8486 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8487 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8488 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8489
8490 @item
8491 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8492 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8493
8494 @end itemize
8495
8496 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8497 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8498 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8499 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8500 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8501
8502 @menu
8503 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8504 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8505 @end menu
8506
8507
8508 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8509 @c    node-name, next, previous, up
8510 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8511
8512 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8513 the configure script.
8514
8515 Notes:
8516
8517 @itemize @bullet
8518
8519 @item
8520 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8521 to be found by your system's dynamic linker.
8522   
8523 This is generally done by
8524
8525 @display
8526 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8527 @end display
8528
8529 or by
8530    
8531 @display
8532 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8533 @end display
8534
8535 or, as a last resort, 
8536  
8537 @display
8538 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8539 running configure, for instance:
8540
8541 @example
8542 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8543 @end example
8544 @end display
8545
8546 @item
8547 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8548 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8549 name of the executable
8550
8551 @item
8552 If you move the GiNaC package from its installed location,
8553 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8554 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8555
8556 @end itemize
8557
8558 Advanced note:
8559
8560 @itemize @bullet
8561 @item
8562 configure flags
8563   
8564 @example
8565 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8566 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8567 @end example
8568
8569 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8570 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8571 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8572 @end itemize
8573
8574
8575 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8576 @c    node-name, next, previous, up
8577 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8578
8579 The following shows how to build a simple package using automake
8580 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8581
8582 @example
8583 #include <iostream>
8584 #include <ginac/ginac.h>
8585
8586 int main()
8587 @{
8588     GiNaC::symbol x("x");
8589     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8590     std::cout << "Derivative of " << a 
8591               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8592     return 0;
8593 @}
8594 @end example
8595
8596 You should first read the introductory portions of the automake
8597 Manual, if you are not already familiar with it.
8598
8599 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8600 configure script:
8601
8602 @example
8603 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8604 AC_INIT(simple.cpp)
8605 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8606
8607 AC_PROG_CXX
8608 AC_PROG_INSTALL
8609 AC_LANG_CPLUSPLUS
8610
8611 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8612   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8613   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8614 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8615
8616 AC_OUTPUT(Makefile)
8617 @end example
8618
8619 The only command in this which is not standard for automake
8620 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8621
8622 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8623 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8624 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8625 the error message `need to have GiNaC installed'
8626
8627 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8628
8629 @example
8630 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8631 bin_PROGRAMS = simple
8632 simple_SOURCES = simple.cpp
8633 @end example
8634
8635 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8636 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8637 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8638 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8639 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8640 adding the lines:
8641
8642 @example
8643 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8644 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8645 @end example
8646
8647 to the @file{Makefile.am}.
8648
8649 To try this example out, create a new directory and add the three
8650 files above to it.
8651
8652 Now execute the following commands:
8653
8654 @example
8655 $ automake --add-missing
8656 $ aclocal
8657 $ autoconf
8658 @end example
8659
8660 You now have a package that can be built in the normal fashion
8661
8662 @example
8663 $ ./configure
8664 $ make
8665 $ make install
8666 @end example
8667
8668
8669 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8670 @c    node-name, next, previous, up
8671 @appendix Bibliography
8672
8673 @itemize @minus{}
8674
8675 @item
8676 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8677
8678 @item
8679 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8680
8681 @item
8682 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8683
8684 @item
8685 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8686
8687 @item
8688 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8689 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8690
8691 @item
8692 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8693 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8694 Academic Press, London
8695
8696 @item
8697 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8698 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8699
8700 @item
8701 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8702 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8703
8704 @item
8705 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8706 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8707
8708 @item
8709 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8710
8711 @end itemize
8712
8713
8714 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8715 @c    node-name, next, previous, up
8716 @unnumbered Concept Index
8717
8718 @printindex cp
8719
8720 @bye