]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Parser: handle abbreviations as advertized in the manual.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2010 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2010 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{} 1999-2010 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
488 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
489 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
490 it will refuse to continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval(int level = 0) const;
842 ex basic::eval(int level = 0) const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1150
1151 @cindex @code{subs()}
1152 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1153 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1154 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1155 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1156 (@pxref{Substituting expressions}).
1157
1158 @cindex @code{realsymbol()}
1159 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1160 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1161 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1162 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1163 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1164 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1165 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1166 allows you to specify
1167 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1168 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1169
1170 @cindex @code{possymbol()}
1171 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1172 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1173 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1174
1175
1176 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1177 @c    node-name, next, previous, up
1178 @section Numbers
1179 @cindex @code{numeric} (class)
1180
1181 @cindex GMP
1182 @cindex CLN
1183 @cindex rational
1184 @cindex fraction
1185 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1186 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1187 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1188 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1189 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1190 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1191 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1192 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1193 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1194 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1195 several useful things: First, it introduces the complex number field
1196 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1197 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1198 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1199 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1200 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1201 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1202 calculation of some useful constants.
1203
1204 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1205 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1206 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1207 integers, construction from C-float and construction from a string:
1208
1209 @example
1210 #include <iostream>
1211 #include <ginac/ginac.h>
1212 using namespace GiNaC;
1213
1214 int main()
1215 @{
1216     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1217     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1218     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1219     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1220     // Trott's constant in scientific notation:
1221     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1222     
1223     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1224     ...
1225 @end example
1226
1227 @cindex @code{I}
1228 @cindex complex numbers
1229 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1230 name @code{I}:
1231
1232 @example
1233     ...
1234     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1235     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1236 @}
1237 @end example
1238
1239 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1240 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1241 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1242 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1243 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1244 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1245 also.
1246
1247 @cindex @code{Digits}
1248 @cindex accuracy
1249 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1250 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1251 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1252 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1253 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1254 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1255 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1256 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1257 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1258 digits:
1259
1260 @example
1261 #include <iostream>
1262 #include <ginac/ginac.h>
1263 using namespace std;
1264 using namespace GiNaC;
1265
1266 void foo()
1267 @{
1268     numeric three(3.0), one(1.0);
1269     numeric x = one/three;
1270
1271     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1272     cout << x << endl;
1273     cout << Pi.evalf() << endl;
1274 @}
1275
1276 int main()
1277 @{
1278     foo();
1279     Digits = 60;
1280     foo();
1281     return 0;
1282 @}
1283 @end example
1284
1285 The above example prints the following output to screen:
1286
1287 @example
1288 in 17 digits:
1289 0.33333333333333333334
1290 3.1415926535897932385
1291 in 60 digits:
1292 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1293 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1294 @end example
1295
1296 @cindex rounding
1297 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1298 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1299 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1300 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1301 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1302 architectures with different word size, the above output might even
1303 differ with regard to actually computed digits.
1304
1305 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1306 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1307 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1308
1309 @subsection Tests on numbers
1310
1311 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1312 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1313 kind of information from them like asking whether that number is
1314 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1315 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1316 certain CLN functions.)
1317
1318 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1319 some multiple of its denominator and test what comes out:
1320
1321 @example
1322 #include <iostream>
1323 #include <ginac/ginac.h>
1324 using namespace std;
1325 using namespace GiNaC;
1326
1327 // some very important constants:
1328 const numeric twentyone(21);
1329 const numeric ten(10);
1330 const numeric five(5);
1331
1332 int main()
1333 @{
1334     numeric answer = twentyone;
1335
1336     answer /= five;
1337     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1338     answer *= ten;
1339     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1340 @}
1341 @end example
1342
1343 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1344 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1345 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1346 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1347 the result is automatically converted to a pure integer again.
1348 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1349 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1350 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1351 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1352 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1353 can be applied is listed in the following table.
1354
1355 @cartouche
1356 @multitable @columnfractions .30 .70
1357 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1358 @item @code{.is_zero()}
1359 @tab @dots{}equal to zero
1360 @item @code{.is_positive()}
1361 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1362 @item @code{.is_negative()}
1363 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1364 @item @code{.is_integer()}
1365 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1366 @item @code{.is_pos_integer()}
1367 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1368 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1369 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1370 @item @code{.is_even()}
1371 @tab @dots{}an even integer
1372 @item @code{.is_odd()}
1373 @tab @dots{}an odd integer
1374 @item @code{.is_prime()}
1375 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1376 @item @code{.is_rational()}
1377 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1378 @item @code{.is_real()}
1379 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1380 @item @code{.is_cinteger()}
1381 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1382 @item @code{.is_crational()}
1383 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1384 @end multitable
1385 @end cartouche
1386
1387 @page
1388
1389 @subsection Numeric functions
1390
1391 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1392 evaluated immediately:
1393
1394 @cartouche
1395 @multitable @columnfractions .30 .70
1396 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1397 @item @code{inverse(z)}
1398 @tab returns @math{1/z}
1399 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1400 @item @code{pow(a, b)}
1401 @tab exponentiation @math{a^b}
1402 @item @code{abs(z)}
1403 @tab absolute value
1404 @item @code{real(z)}
1405 @tab real part
1406 @cindex @code{real()}
1407 @item @code{imag(z)}
1408 @tab imaginary part
1409 @cindex @code{imag()}
1410 @item @code{csgn(z)}
1411 @tab complex sign (returns an @code{int})
1412 @item @code{step(x)}
1413 @tab step function (returns an @code{numeric})
1414 @item @code{numer(z)}
1415 @tab numerator of rational or complex rational number
1416 @item @code{denom(z)}
1417 @tab denominator of rational or complex rational number
1418 @item @code{sqrt(z)}
1419 @tab square root
1420 @item @code{isqrt(n)}
1421 @tab integer square root
1422 @cindex @code{isqrt()}
1423 @item @code{sin(z)}
1424 @tab sine
1425 @item @code{cos(z)}
1426 @tab cosine
1427 @item @code{tan(z)}
1428 @tab tangent
1429 @item @code{asin(z)}
1430 @tab inverse sine
1431 @item @code{acos(z)}
1432 @tab inverse cosine
1433 @item @code{atan(z)}
1434 @tab inverse tangent
1435 @item @code{atan(y, x)}
1436 @tab inverse tangent with two arguments
1437 @item @code{sinh(z)}
1438 @tab hyperbolic sine
1439 @item @code{cosh(z)}
1440 @tab hyperbolic cosine
1441 @item @code{tanh(z)}
1442 @tab hyperbolic tangent
1443 @item @code{asinh(z)}
1444 @tab inverse hyperbolic sine
1445 @item @code{acosh(z)}
1446 @tab inverse hyperbolic cosine
1447 @item @code{atanh(z)}
1448 @tab inverse hyperbolic tangent
1449 @item @code{exp(z)}
1450 @tab exponential function
1451 @item @code{log(z)}
1452 @tab natural logarithm
1453 @item @code{Li2(z)}
1454 @tab dilogarithm
1455 @item @code{zeta(z)}
1456 @tab Riemann's zeta function
1457 @item @code{tgamma(z)}
1458 @tab gamma function
1459 @item @code{lgamma(z)}
1460 @tab logarithm of gamma function
1461 @item @code{psi(z)}
1462 @tab psi (digamma) function
1463 @item @code{psi(n, z)}
1464 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1465 @item @code{factorial(n)}
1466 @tab factorial function @math{n!}
1467 @item @code{doublefactorial(n)}
1468 @tab double factorial function @math{n!!}
1469 @cindex @code{doublefactorial()}
1470 @item @code{binomial(n, k)}
1471 @tab binomial coefficients
1472 @item @code{bernoulli(n)}
1473 @tab Bernoulli numbers
1474 @cindex @code{bernoulli()}
1475 @item @code{fibonacci(n)}
1476 @tab Fibonacci numbers
1477 @cindex @code{fibonacci()}
1478 @item @code{mod(a, b)}
1479 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1480 @cindex @code{mod()}
1481 @item @code{smod(a, b)}
1482 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1483 @cindex @code{smod()}
1484 @item @code{irem(a, b)}
1485 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1486 @cindex @code{irem()}
1487 @item @code{irem(a, b, q)}
1488 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1489 @item @code{iquo(a, b)}
1490 @tab integer quotient
1491 @cindex @code{iquo()}
1492 @item @code{iquo(a, b, r)}
1493 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1494 @item @code{gcd(a, b)}
1495 @tab greatest common divisor
1496 @item @code{lcm(a, b)}
1497 @tab least common multiple
1498 @end multitable
1499 @end cartouche
1500
1501 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1502 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1503 as polynomial algorithms.
1504
1505 @subsection Converting numbers
1506
1507 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1508 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1509 class provides a couple of methods for this purpose:
1510
1511 @cindex @code{to_int()}
1512 @cindex @code{to_long()}
1513 @cindex @code{to_double()}
1514 @cindex @code{to_cl_N()}
1515 @example
1516 int numeric::to_int() const;
1517 long numeric::to_long() const;
1518 double numeric::to_double() const;
1519 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1520 @end example
1521
1522 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1523 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1524 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1525 rational number will return a floating-point approximation. Both
1526 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1527 part of complex numbers.
1528
1529
1530 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1531 @c    node-name, next, previous, up
1532 @section Constants
1533 @cindex @code{constant} (class)
1534
1535 @cindex @code{Pi}
1536 @cindex @code{Catalan}
1537 @cindex @code{Euler}
1538 @cindex @code{evalf()}
1539 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1540 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1541
1542 The predefined known constants are:
1543
1544 @cartouche
1545 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1546 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1547 @item @code{Pi}
1548 @tab Archimedes' constant
1549 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1550 @item @code{Catalan}
1551 @tab Catalan's constant
1552 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1553 @item @code{Euler}
1554 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1555 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1556 @end multitable
1557 @end cartouche
1558
1559
1560 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1561 @c    node-name, next, previous, up
1562 @section Sums, products and powers
1563 @cindex polynomial
1564 @cindex @code{add}
1565 @cindex @code{mul}
1566 @cindex @code{power}
1567
1568 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1569 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1570 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1571 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1572 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1573 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1574 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1575 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1576
1577 @example
1578     ...
1579     symbol a("a"), b("b");
1580     ex MyTerm = 1+a*b;
1581     ...
1582 @end example
1583
1584 @cindex @code{pow()}
1585 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1586 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1587 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1588 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1589 have several counterintuitive and undesired effects:
1590
1591 @itemize @bullet
1592 @item
1593 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1594 @item
1595 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1596 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1597 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1598 @item
1599 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1600 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1601 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1602 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1603 has requested @code{2^3}.)
1604 @end itemize
1605
1606 @cindex @command{ginsh}
1607 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1608 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1609 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1610 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1611 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1612 not exist at all in C++).
1613
1614 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1615 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1616 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1617 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1618 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1619 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1620 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1621 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1622 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1623 @code{x} negative.
1624
1625 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1626 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1627 and safe simplifications are carried out like transforming
1628 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1629
1630
1631 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1632 @c    node-name, next, previous, up
1633 @section Lists of expressions
1634 @cindex @code{lst} (class)
1635 @cindex lists
1636 @cindex @code{nops()}
1637 @cindex @code{op()}
1638 @cindex @code{append()}
1639 @cindex @code{prepend()}
1640 @cindex @code{remove_first()}
1641 @cindex @code{remove_last()}
1642 @cindex @code{remove_all()}
1643
1644 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1645 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1646 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1647 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1648 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1649
1650 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1651 expressions:
1652
1653 @example
1654 @{
1655     symbol x("x"), y("y");
1656     lst l;
1657     l = x, 2, y, x+y;
1658     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1659     // in that order
1660     ...
1661 @end example
1662
1663 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1664 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1665
1666 @example
1667     ...
1668     // This produces the same list 'l' as above:
1669     // lst l(x, 2, y, x+y);
1670     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1671     ...
1672 @end example
1673
1674 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1675 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1676 individual elements:
1677
1678 @example
1679     ...
1680     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1681     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1682     ...
1683 @end example
1684
1685 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1686 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1687 sequential access to the elements of a list is possible with the
1688 iterator types provided by the @code{lst} class:
1689
1690 @example
1691 typedef ... lst::const_iterator;
1692 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1693 lst::const_iterator lst::begin() const;
1694 lst::const_iterator lst::end() const;
1695 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1696 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1697 @end example
1698
1699 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1700
1701 @example
1702     ...
1703     // O(N)
1704     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1705         cout << *i << endl;
1706     ...
1707 @end example
1708
1709 which is one order faster than
1710
1711 @example
1712     ...
1713     // O(N^2)
1714     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1715         cout << l.op(i) << endl;
1716     ...
1717 @end example
1718
1719 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1720 the C++ standard library:
1721
1722 @example
1723     ...
1724     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1725     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1726
1727     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1728     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1729     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1730     ...
1731 @end example
1732
1733 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1734 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1739     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1740     ...
1741 @end example
1742
1743 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1744 and @code{prepend()} methods:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1749     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1754 and @code{remove_last()}:
1755
1756 @example
1757     ...
1758     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1759     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1760     ...
1761 @end example
1762
1763 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1764
1765 @example
1766     ...
1767     l.remove_all();     // l is now empty
1768     ...
1769 @end example
1770
1771 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1772
1773 @example
1774     ...
1775     lst l1, l2;
1776     l1 = x, 2, y, x+y;
1777     l2 = 2, x+y, x, y;
1778     l1.sort();
1779     l2.sort();
1780     // l1 and l2 are now equal
1781     ...
1782 @end example
1783
1784 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1785 elements with @code{unique()}:
1786
1787 @example
1788     ...
1789     lst l3;
1790     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1791     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1792 @}
1793 @end example
1794
1795
1796 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1797 @c    node-name, next, previous, up
1798 @section Mathematical functions
1799 @cindex @code{function} (class)
1800 @cindex trigonometric function
1801 @cindex hyperbolic function
1802
1803 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1804 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1805 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1806
1807 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1808 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1809 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1810 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1811 the next example, showing how a function returns itself twice and
1812 finally an expression that may be really useful:
1813
1814 @cindex Gamma function
1815 @cindex @code{subs()}
1816 @example
1817     ...
1818     symbol x("x"), y("y");    
1819     ex foo = x+y/2;
1820     cout << tgamma(foo) << endl;
1821      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1822     ex bar = foo.subs(y==1);
1823     cout << tgamma(bar) << endl;
1824      // -> tgamma(x+1/2)
1825     ex foobar = bar.subs(x==7);
1826     cout << tgamma(foobar) << endl;
1827      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1828     ...
1829 @end example
1830
1831 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1832 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1833 this.
1834
1835 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1836 functions, where the argument list is templated.  This means that
1837 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1838 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1839 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1840 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1841 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1842 point number of class @code{numeric} you should call
1843 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1844 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1845 wrapped inside an @code{ex}.
1846
1847
1848 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1849 @c    node-name, next, previous, up
1850 @section Relations
1851 @cindex @code{relational} (class)
1852
1853 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1854 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1855 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1856 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1857 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1858 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1859
1860 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1861 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1862 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1863 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1864 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1865 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1866 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1867 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1868 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1869 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1870 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1871 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1872 @code{expand()} must be called explicitly.
1873
1874 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1875 @c    node-name, next, previous, up
1876 @section Integrals
1877 @cindex @code{integral} (class)
1878
1879 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1880 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1881 1, you would write this as
1882 @example
1883 integral(x, 0, 1, x*x)
1884 @end example
1885 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1886 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1887 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1888 can be evaluated symbolically by calling the
1889 @example
1890 .eval_integ()
1891 @end example
1892 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1893 @example
1894 .evalf()
1895 @end example
1896 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1897 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1898 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1899 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1900 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1901 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1902 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1903 integrals is determined by the static member variable
1904 @example
1905 ex integral::relative_integration_error
1906 @end example
1907 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1908 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1909 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1910 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1911 variable
1912 @example
1913 int integral::max_integration_level
1914 @end example
1915 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1916 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1917 evaluation, is also available as
1918 @example
1919 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1920                    const ex & error)
1921 @end example
1922 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1923 last parameter of the function is optional and defaults to the
1924 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1925 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1926 a lookup table is used.
1927
1928 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1929 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1930 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1931 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1932 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1933 with respect to the integration variable.
1934
1935 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1936 @c    node-name, next, previous, up
1937 @section Matrices
1938 @cindex @code{matrix} (class)
1939
1940 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1941 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1942 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1943 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1944
1945 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1946 elements. The constructor
1947
1948 @example
1949 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1950 @end example
1951
1952 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1953 set to zero.
1954
1955 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1956 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1957 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1958
1959 @example
1960 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1961 @end example
1962
1963 The function
1964
1965 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1966 @example
1967 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1968 @end example
1969
1970 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1971
1972 There is also a set of functions for creating some special types of
1973 matrices:
1974
1975 @cindex @code{diag_matrix()}
1976 @cindex @code{unit_matrix()}
1977 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1978 @example
1979 ex diag_matrix(const lst & l);
1980 ex unit_matrix(unsigned x);
1981 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1982 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1983 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1984                    const string & tex_base_name);
1985 @end example
1986
1987 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1988 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1989 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1990 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1991 and the position of each element in the matrix.
1992
1993 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1994 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1995 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1996 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1997 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1998 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1999
2000 @cindex @code{sub_matrix()}
2001 @cindex @code{reduced_matrix()}
2002 @example
2003 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2004 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2005 @end example
2006
2007 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2008 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2009 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2010 that specify which row and column to remove:
2011
2012 @example
2013 @{
2014     matrix m(3,3);
2015     m = 11, 12, 13,
2016         21, 22, 23,
2017         31, 32, 33;
2018     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2019     // -> [[11,13],[31,33]]
2020     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2021     // -> [[22,23],[32,33]]
2022 @}
2023 @end example
2024
2025 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2026 operator:
2027
2028 @example
2029 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2030 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2031 @end example
2032
2033 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2034 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2035 @samp{[]} is not available.
2036
2037 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2038
2039 @example
2040 @{
2041     symbol a("a"), b("b");
2042
2043     matrix M(2, 2);
2044     M = a, 0,
2045         0, b;
2046     cout << M << endl;
2047      // -> [[a,0],[0,b]]
2048
2049     matrix M2(2, 2);
2050     M2(0, 0) = a;
2051     M2(1, 1) = b;
2052     cout << M2 << endl;
2053      // -> [[a,0],[0,b]]
2054
2055     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2056      // -> [[a,0],[0,b]]
2057
2058     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2059      // -> [[a,0],[0,b]]
2060
2061     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2062      // -> [[a,0],[0,b]]
2063
2064     cout << unit_matrix(3) << endl;
2065      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2066
2067     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2068      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2069 @}
2070 @end example
2071
2072 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2073 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2074 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2075 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2076 expression is zero or a zero matrix.
2077
2078 @cindex @code{transpose()}
2079 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2080 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2081
2082 @example
2083 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2084 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2085 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2086 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2087 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2088 matrix matrix::transpose() const;
2089 @end example
2090
2091 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2092 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2093 and @math{C}:
2094
2095 @example
2096 @{
2097     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2098     A =  1, 2,
2099          3, 4;
2100     B = -1, 0,
2101          2, 1;
2102     C =  8, 4,
2103          2, 1;
2104
2105     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2106     cout << result << endl;
2107      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2108     ...
2109 @}
2110 @end example
2111
2112 @cindex @code{evalm()}
2113 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2114 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2115 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2116 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2117 method
2118
2119 @example
2120 ex ex::evalm() const;
2121 @end example
2122
2123 to obtain the result:
2124
2125 @example
2126 @{
2127     ...
2128     ex e = A*B - 2*C;
2129     cout << e << endl;
2130      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2131     cout << e.evalm() << endl;
2132      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2133     ...
2134 @}
2135 @end example
2136
2137 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2138 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2139 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2140 dealing with non-commutative expressions.
2141
2142 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2143 to perform the arithmetic:
2144
2145 @example
2146 @{
2147     ...
2148     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2149     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2150     cout << e << endl;
2151      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2152     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2153      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2154 @}
2155 @end example
2156
2157 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2158 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2159 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2160 more information about using matrices with indices, and about indices in
2161 general.
2162
2163 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2164 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2165
2166 @cindex @code{determinant()}
2167 @cindex @code{trace()}
2168 @cindex @code{charpoly()}
2169 @cindex @code{rank()}
2170 @example
2171 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2172 ex matrix::trace() const;
2173 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2174 unsigned matrix::rank() const;
2175 @end example
2176
2177 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2178 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2179 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2180 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2181 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2182 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2183 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2184 quickly.
2185
2186 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2187 @cindex @code{solve()}
2188 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2189 method and linear systems may be solved with:
2190
2191 @example
2192 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2193                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2194 @end example
2195
2196 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2197 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2198 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2199 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2200 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2201 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2202 overdetermined, an exception is thrown.
2203
2204
2205 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2206 @c    node-name, next, previous, up
2207 @section Indexed objects
2208
2209 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2210 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2211 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2212 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2213
2214 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2215 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2216 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2217 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2218
2219 @cindex @code{idx} (class)
2220 @cindex @code{indexed} (class)
2221 @subsection Indexed quantities and their indices
2222
2223 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2224 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2225
2226 @itemize @bullet
2227
2228 @cindex contravariant
2229 @cindex covariant
2230 @cindex variance
2231 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2232 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2233 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2234 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2235 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2236 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2237
2238 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2239 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2240 one or more indices.
2241
2242 @end itemize
2243
2244 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2245 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2246 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2247 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2248 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2249 not visible in the output.
2250
2251 A simple example shall illustrate the concepts:
2252
2253 @example
2254 #include <iostream>
2255 #include <ginac/ginac.h>
2256 using namespace std;
2257 using namespace GiNaC;
2258
2259 int main()
2260 @{
2261     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2262     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2263
2264     symbol A("A");
2265     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2266      // -> A.i.j
2267     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2268      // -> A.i[3].j[3]
2269     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2270     ...
2271 @end example
2272
2273 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2274 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2275 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2276 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2277 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2278 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2279 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2280 @code{j}.
2281
2282 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2283 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2284 as shown above.
2285
2286 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2287 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2288 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2289 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2290 correct and will raise an exception:
2291
2292 @example
2293 symbol i("i"), j("j");
2294 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2295 @end example
2296
2297 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2298 be numeric, and index dimensions symbolic:
2299
2300 @example
2301     ...
2302     symbol B("B"), dim("dim");
2303     cout << 4 * indexed(A, i)
2304           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2305      // -> B.j.2.i+4*A.i
2306     ...
2307 @end example
2308
2309 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2310 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2311 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2312 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2313 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2314
2315 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2316 arbitrary expressions:
2317
2318 @example
2319     ...
2320     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2321      // -> (B+A).(1+2*i)
2322     ...
2323 @end example
2324
2325 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2326 get an error message from this but you will probably not be able to do
2327 anything useful with it.
2328
2329 @cindex @code{get_value()}
2330 @cindex @code{get_dim()}
2331 The methods
2332
2333 @example
2334 ex idx::get_value();
2335 ex idx::get_dim();
2336 @end example
2337
2338 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2339 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2340 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2341 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2342
2343 There are also the methods
2344
2345 @example
2346 bool idx::is_numeric();
2347 bool idx::is_symbolic();
2348 bool idx::is_dim_numeric();
2349 bool idx::is_dim_symbolic();
2350 @end example
2351
2352 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2353 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2354 about expressions}) returns information about the index value.
2355
2356 @cindex @code{varidx} (class)
2357 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2358
2359 @example
2360     ...
2361     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2362     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2363     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2364
2365     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2366      // -> A~mu~nu
2367     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2368      // -> A.mu~nu
2369     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2370      // -> A.mu~nu
2371     ...
2372 @end example
2373
2374 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2375 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2376 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2377 constructor. The two methods
2378
2379 @example
2380 bool varidx::is_covariant();
2381 bool varidx::is_contravariant();
2382 @end example
2383
2384 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2385 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2386 method
2387
2388 @example
2389 ex varidx::toggle_variance();
2390 @end example
2391
2392 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2393 variance. By using it you only have to define the index once.
2394
2395 @cindex @code{spinidx} (class)
2396 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2397 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2398
2399 @example
2400     ...
2401     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2402     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2403                                             // contravariant, undotted
2404     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2405     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2406     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2407
2408     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2409      // -> K~C~D
2410     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2411      // -> K.C~*D
2412     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2413      // -> K.*D~D
2414     ...
2415 @end example
2416
2417 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2418 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2419 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2420 methods
2421
2422 @example
2423 bool spinidx::is_dotted();
2424 bool spinidx::is_undotted();
2425 @end example
2426
2427 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2428 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2429 Finally, the two methods
2430
2431 @example
2432 ex spinidx::toggle_dot();
2433 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2434 @end example
2435
2436 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2437 and the same or opposite variance.
2438
2439 @subsection Substituting indices
2440
2441 @cindex @code{subs()}
2442 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2443 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2444 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2445 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2446
2447 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2448 by another index or expression:
2449
2450 @example
2451     ...
2452     ex e = indexed(A, mu_co);
2453     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2454      // -> A.mu becomes A~nu
2455     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2456      // -> A.mu becomes A~0
2457     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2458      // -> A.mu becomes A.0
2459     ...
2460 @end example
2461
2462 The third example shows that trying to replace an index with something that
2463 is not an index will substitute the index value instead.
2464
2465 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2466 another expression:
2467
2468 @example
2469     ...
2470     ex e = indexed(A, mu_co);
2471     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2472      // -> A.mu becomes A.nu
2473     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2474      // -> A.mu becomes A.0
2475     ...
2476 @end example
2477
2478 As you see, with the second method only the value of the index will get
2479 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2480 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2481 whole index by another one with the new dimension.
2482
2483 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2484 expected:
2485
2486 @example
2487     ...
2488     ex e = indexed(A, mu_co);
2489     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2490      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2491     ...
2492 @end example
2493
2494 @subsection Symmetries
2495 @cindex @code{symmetry} (class)
2496 @cindex @code{sy_none()}
2497 @cindex @code{sy_symm()}
2498 @cindex @code{sy_anti()}
2499 @cindex @code{sy_cycl()}
2500
2501 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2502 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2503 that is constructed with the helper functions
2504
2505 @example
2506 symmetry sy_none(...);
2507 symmetry sy_symm(...);
2508 symmetry sy_anti(...);
2509 symmetry sy_cycl(...);
2510 @end example
2511
2512 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2513 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2514 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2515 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2516 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2517 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2518 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2519 all indices.
2520
2521 Here are some examples of symmetry definitions:
2522
2523 @example
2524     ...
2525     // No symmetry:
2526     e = indexed(A, i, j);
2527     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2528     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2529
2530     // Symmetric in all three indices:
2531     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2532     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2533     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2534                                                // different canonical order
2535
2536     // Symmetric in the first two indices only:
2537     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2538     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2539
2540     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2541     // be contiguous):
2542     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2543     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2544
2545     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2546     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2547     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2548     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2549
2550     // Cyclic symmetry in all three indices:
2551     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2552     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2553
2554     // The following examples are invalid constructions that will throw
2555     // an exception at run time.
2556
2557     // An index may not appear multiple times:
2558     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2559     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2560
2561     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2562     // same number of indices:
2563     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2564
2565     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2566     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2571 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2572 full symmetry in the first six indices you would write
2573 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2574
2575 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2576 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2577
2578 @example
2579     ...
2580     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2581           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2582      // -> 2*A.j.i
2583     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2584           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2585      // -> 0
2586     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2587           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2588      // -> 0
2589     ...
2590 @end example
2591
2592 @cindex @code{get_free_indices()}
2593 @cindex dummy index
2594 @subsection Dummy indices
2595
2596 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2597 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2598 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2599 dummy nor free indices.
2600
2601 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2602 class and their value must be the same single symbol (an index like
2603 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2604 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2605 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2606
2607 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2608 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2609 of a sum are consistent:
2610
2611 @example
2612 @{
2613     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2614
2615     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2616     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2617
2618     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2619     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2620      // -> (.i,.k)
2621      // 'j' and 'l' are dummy indices
2622
2623     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2624     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2625
2626     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2627       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2628     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2629      // -> (~mu,~rho)
2630      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2631
2632     e = indexed(A, mu, mu);
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2634      // -> (~mu)
2635      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2636      // variance
2637
2638     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2639     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2640      // this will throw an exception:
2641      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2642 @}
2643 @end example
2644
2645 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2646 A dummy index summation like 
2647 @tex
2648 $ a_i b^i$
2649 @end tex
2650 @ifnottex
2651 a.i b~i
2652 @end ifnottex
2653 can be expanded for indices with numeric
2654 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2655 @tex
2656 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2657 @end tex
2658 @ifnottex
2659 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2660 @end ifnottex
2661 This is performed by the function
2662
2663 @example
2664     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2665 @end example
2666
2667 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2668 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2669 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2670 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2671 @tex
2672 $ a_i b^i$
2673 @end tex
2674 @ifnottex
2675 a.i b~i
2676 @end ifnottex
2677 will be expanded to
2678 @tex
2679 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2680 @end tex
2681 @ifnottex
2682 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2683 @end ifnottex
2684
2685
2686 @cindex @code{simplify_indexed()}
2687 @subsection Simplifying indexed expressions
2688
2689 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2690 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2691 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2692 there is the method
2693
2694 @example
2695 ex ex::simplify_indexed();
2696 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2697 @end example
2698
2699 that performs some more expensive operations:
2700
2701 @itemize @bullet
2702 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2703   @code{get_free_indices()} does
2704 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2705   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2706 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2707   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2708   next section)
2709 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2710   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2711 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2712   of two tensors with a user-defined value
2713 @end itemize
2714
2715 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2716 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2717 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2718
2719 @example
2720 @{
2721     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2722     idx i(i_sym, 3);
2723
2724     scalar_products sp;
2725     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2726     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2727     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2728
2729     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2730     cout << e << endl;
2731      // -> (B+A).i*(A+C).i
2732
2733     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2734          << endl;
2735      // -> 4+C.i*B.i
2736 @}
2737 @end example
2738
2739 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2740 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2741 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2742 taken, and the expression to replace it with.
2743
2744 @cindex @code{expand()}
2745 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2746 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2747 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2748
2749 @cindex @code{tensor} (class)
2750 @subsection Predefined tensors
2751
2752 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2753 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2754 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2755 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2756 indices are specified).
2757
2758 @cindex @code{delta_tensor()}
2759 @subsubsection Delta tensor
2760
2761 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2762 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2763 @code{delta_tensor()}:
2764
2765 @example
2766 @{
2767     symbol A("A"), B("B");
2768
2769     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2770         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2771
2772     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2773          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2774     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2775      // -> B.i.j*A.i.j
2776
2777     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2778      // -> 3
2779 @}
2780 @end example
2781
2782 @cindex @code{metric_tensor()}
2783 @subsubsection General metric tensor
2784
2785 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2786 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2787 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2788 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2789
2790 @example
2791 @{
2792     symbol A("A");
2793
2794     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2795
2796     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2797     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2798      // -> A~mu~rho
2799
2800     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2801     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2802      // -> g~mu~rho
2803
2804     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2805       * metric_tensor(nu, rho);
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> delta.mu~rho
2808
2809     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2810       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2811         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 4+A.rho~rho
2814 @}
2815 @end example
2816
2817 @cindex @code{lorentz_g()}
2818 @subsubsection Minkowski metric tensor
2819
2820 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2821 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2822 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2823 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2824 @samp{eta}):
2825
2826 @example
2827 @{
2828     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2829
2830     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2831       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2832     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2833      // -> 1
2834
2835     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2836       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> -1
2839 @}
2840 @end example
2841
2842 @cindex @code{spinor_metric()}
2843 @subsubsection Spinor metric tensor
2844
2845 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2846 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2847 It is output as @samp{eps}:
2848
2849 @example
2850 @{
2851     symbol psi("psi");
2852
2853     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2854     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2855
2856     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2857     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2858      // -> psi~A
2859
2860     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2861     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2862      // -> -psi~B
2863
2864     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> -psi.A
2867
2868     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2869     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2870      // -> psi.B
2871
2872     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2873     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2874      // -> 2
2875
2876     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2877     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2878      // -> -delta.A~C
2879 @}
2880 @end example
2881
2882 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2883
2884 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2885 @cindex @code{lorentz_eps()}
2886 @subsubsection Epsilon tensor
2887
2888 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2889 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2890 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2891 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2892 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2893 @samp{eps}.
2894
2895 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2896 dimensions:
2897
2898 @example
2899 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2900 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2901 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2902                bool pos_sig = false);
2903 @end example
2904
2905 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2906 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2907 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2908 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2909 tensor):
2910
2911 @example
2912 @{
2913     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2914            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2915     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2916         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2917     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2918      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2919
2920     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2921     symbol A("A"), B("B");
2922     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2923     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2924      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2925     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2926     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2927      // -> 0
2928 @}
2929 @end example
2930
2931 @subsection Linear algebra
2932
2933 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2934 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2935 and scalar products):
2936
2937 @example
2938 @{
2939     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2940     symbol x("x"), y("y");
2941
2942     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2943     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2944     A = 1, 2,
2945         3, 4;
2946     X = x, y;
2947
2948     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2949      // -> 5
2950
2951     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2952     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2953      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2954
2955     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2956     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2957      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2958 @}
2959 @end example
2960
2961 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2962 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2963 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2964
2965 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2966 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2967 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2968 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2969
2970 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2971 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2972 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2973 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2974 of the metric tensor.
2975
2976
2977 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2978 @c    node-name, next, previous, up
2979 @section Non-commutative objects
2980
2981 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2982 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2983 physics:
2984
2985 @itemize
2986 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2987 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2988 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2989 @end itemize
2990
2991 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2992 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2993 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2994 @ref{Matrices}.
2995
2996 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2997 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2998 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2999 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3000 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3001 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3002 by their class. Consider this example:
3003
3004 @example
3005     ...
3006     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3007     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3008     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3009     cout << e << endl;
3010      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3011     ...
3012 @end example
3013
3014 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3015 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3016 together while preserving the order of factors within each class (because
3017 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3018 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3019 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3020 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3021
3022 @cindex @code{ncmul} (class)
3023 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3024 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3025 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3026 though.
3027
3028 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3029 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3030 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3031 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3032 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3033 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3034 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3035 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3036
3037 @cindex @code{return_type()}
3038 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3039 Information about the commutativity of an object or expression can be
3040 obtained with the two member functions
3041
3042 @example
3043 unsigned      ex::return_type() const;
3044 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3045 @end example
3046
3047 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3048 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3049 expressions in GiNaC:
3050
3051 @itemize @bullet
3052 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3053   classes are of this kind.
3054 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3055   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3056   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3057   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3058   class.
3059 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3060   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3061   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3062   @code{noncommutative_composite} expressions.
3063 @end itemize
3064
3065 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3066 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3067 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3068 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3069 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3070 therefore may not commute.
3071
3072 Here are a couple of examples:
3073
3074 @cartouche
3075 @multitable @columnfractions .6 .4
3076 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3077 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3078 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3079 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3080 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3081 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3082 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3083 @end multitable
3084 @end cartouche
3085
3086 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3087 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3088 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3089 non-commutative expressions).
3090
3091
3092 @cindex @code{clifford} (class)
3093 @subsection Clifford algebra
3094
3095
3096 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3097 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3098 mathematical). 
3099
3100 @cindex @code{dirac_gamma()}
3101 @subsubsection Dirac gamma matrices
3102 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3103 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3104 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3105 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3106 constructed by the function
3107
3108 @example
3109 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3113 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3114 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3115 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3116 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3117 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3118
3119 @cindex @code{dirac_ONE()}
3120 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3121
3122 @example
3123 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3124 @end example
3125
3126 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3127 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3128 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3129 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3130 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3131
3132 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3133 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3134 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3135 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3136
3137 @example
3138 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3139 @end example
3140
3141 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3142 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3143 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3144 objects, constructed by
3145
3146 @example
3147 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3148 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3149 @end example
3150
3151 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3152 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3153
3154 @cindex @code{dirac_slash()}
3155 Finally, the function
3156
3157 @example
3158 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3159 @end example
3160
3161 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3162 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3163 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3164 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3165
3166 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3167 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3168 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3169
3170 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3171 for example
3172
3173 @example
3174 @{
3175     ...
3176     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3177     varidx mu(symbol("mu"), D);
3178     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3179          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3180     cout << e << endl;
3181      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3182     e = e.simplify_indexed();
3183     cout << e << endl;
3184      // -> -D*a\+2*a\
3185     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3186      // -> -2*a\
3187     ...
3188 @}
3189 @end example
3190
3191 @cindex @code{dirac_trace()}
3192 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3193 you use one of the functions
3194
3195 @example
3196 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3197                const ex & trONE = 4);
3198 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3199 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3200 @end example
3201
3202 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3203 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3204 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3205 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3206 element, which defaults to 4.
3207
3208 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3209 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3210 functional is not cyclic in
3211 @tex $D \ne 4$
3212 @end tex
3213 @ifnottex
3214 @math{D != 4}
3215 @end ifnottex
3216 dimensions when acting on
3217 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3218 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3219 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3220
3221 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3222 @tex $D \ne 4$
3223 @end tex
3224 @ifnottex
3225 @math{D != 4}
3226 @end ifnottex
3227 dimensions:
3228
3229 @example
3230 @{
3231     // 4 dimensions
3232     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3233     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3234            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3235     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3236      // -> -8*eta~rho~nu
3237 @}
3238 ...
3239 @{
3240     // D dimensions
3241     symbol D("D");
3242     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3243     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3244            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3245     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3246      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3247 @}
3248 @end example
3249
3250 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3251 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3252 QED:
3253
3254 @example
3255 @{
3256     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3257     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3258
3259     scalar_products sp;
3260     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3261     sp.add(l, q, ldotq);
3262
3263     ex e = dirac_gamma(mu) *
3264            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3265            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3266            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3267     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3268     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3269     cout << e << endl;
3270      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3271 @}
3272 @end example
3273
3274 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3275 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3276 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3277
3278 @example
3279 @{
3280     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3281     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3282     cout << e << endl;
3283      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3284
3285     e = canonicalize_clifford(e);
3286     cout << e << endl;
3287      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3288 @}
3289 @end example
3290
3291 @cindex @code{clifford_unit()}
3292 @subsubsection A generic Clifford algebra
3293
3294 A generic Clifford algebra, i.e. a
3295 @tex $2^n$
3296 @end tex
3297 @ifnottex
3298 2^n
3299 @end ifnottex
3300 dimensional algebra with
3301 generators 
3302 @tex $e_k$
3303 @end tex 
3304 @ifnottex
3305 e_k
3306 @end ifnottex
3307 satisfying the identities 
3308 @tex
3309 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3313 @end ifnottex
3314 for some bilinear form (@code{metric})
3315 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3316 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3317 function 
3318
3319 @example
3320     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3321 @end example
3322
3323 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3324 indexing the generators.
3325 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3326 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3327 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3328 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3329 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3330 @code{op(0)} will be used.
3331 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3332 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3333
3334 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3335 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3336 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3337 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3338 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3339 Clifford number.
3340
3341 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3342 the Clifford algebra units with a call like that
3343
3344 @example
3345     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3346 @end example
3347
3348 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3349 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3350 automatically. 
3351
3352 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3353 ways. For example 
3354
3355 @example
3356 @{
3357     ... 
3358     idx i(symbol("i"), 4);
3359     realsymbol s("s");
3360     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3361     ex e = clifford_unit(i, M);
3362     ex e0 = e.subs(i == 0);
3363     ex e1 = e.subs(i == 1);
3364     ex e2 = e.subs(i == 2);
3365     ex e3 = e.subs(i == 3);
3366     ...
3367 @}
3368 @end example
3369
3370 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3371 @tex
3372 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3373 @end tex
3374 @ifnottex
3375 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3376 @code{pow(e3, 2) = s}.
3377 @end ifnottex
3378
3379 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3380 A similar effect can be achieved from the function
3381
3382 @example
3383     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3384                        unsigned char rl = 0);
3385     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3386 @end example
3387
3388 which converts a list or vector 
3389 @tex
3390 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3391 @end tex
3392 @ifnottex
3393 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3394 @end ifnottex
3395 into the
3396 Clifford number 
3397 @tex
3398 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3399 @end tex
3400 @ifnottex
3401 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3402 @end ifnottex
3403 with @samp{e.k}
3404 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3405 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3406 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3407 @cindex pseudo-vector
3408 If the number of components supplied
3409 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3410 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3411 pseudo-vector representation: 
3412 @tex
3413 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3414 @end tex
3415 @ifnottex
3416 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3417 @end ifnottex
3418
3419 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3420
3421 @example
3422 @{
3423     ...
3424     idx i(symbol("i"), 4);
3425     realsymbol s("s");
3426     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3427     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3428     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3429     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3430     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3431   ...
3432 @}
3433 @end example
3434
3435 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3436 There is the inverse function 
3437
3438 @example
3439     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3440 @end example
3441
3442 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3443 @tex
3444 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3445 @end tex
3446 @ifnottex
3447 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3448 @end ifnottex
3449 such that the expression is either vector 
3450 @tex
3451 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3452 @end tex
3453 @ifnottex
3454 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3455 @end ifnottex
3456 or pseudo-vector 
3457 @tex
3458 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3459 @end tex
3460 @ifnottex
3461 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3462 @end ifnottex
3463 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3464 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3465 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3466 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3467 @samp{v~k} are calculated as 
3468 @tex
3469 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3470 @end tex
3471 @ifnottex
3472 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3473 @end ifnottex
3474 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3475 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3476 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3477
3478 @cindex @code{clifford_prime()}
3479 @cindex @code{clifford_star()}
3480 @cindex @code{clifford_bar()}
3481 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3482
3483 @example
3484     ex clifford_prime(const ex & e)
3485     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3486     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3487 @end example
3488
3489 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3490 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3491 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3492 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3493 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3494 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3495 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3496 in a product. These functions correspond to the notations
3497 @math{e'},
3498 @tex
3499 $e^*$
3500 @end tex
3501 @ifnottex
3502 e*
3503 @end ifnottex
3504 and
3505 @tex
3506 $\overline{e}$
3507 @end tex
3508 @ifnottex
3509 @code{\bar@{e@}}
3510 @end ifnottex
3511 used in Clifford algebra textbooks.
3512
3513 @cindex @code{clifford_norm()}
3514 The function
3515
3516 @example
3517     ex clifford_norm(const ex & e);
3518 @end example
3519
3520 @cindex @code{clifford_inverse()}
3521 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3522 @tex
3523 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3524 @end tex
3525 @ifnottex
3526 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3527 @end ifnottex
3528  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3529
3530 @example
3531     ex clifford_inverse(const ex & e);
3532 @end example
3533
3534 which calculates it as 
3535 @tex
3536 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3537 @end tex
3538 @ifnottex
3539 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3540 @end ifnottex
3541  If
3542 @tex
3543 $||e|| = 0$
3544 @end tex
3545 @ifnottex
3546 @math{||e||=0}
3547 @end ifnottex
3548 then an exception is raised.
3549
3550 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3551 If a Clifford number happens to be a factor of
3552 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3553 expression by the function
3554
3555 @example
3556     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3557 @end example
3558
3559 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3560 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3561 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3562
3563 The next provided function is
3564
3565 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3566 @example
3567     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3568                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3569                             unsigned char rl = 0);
3570     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3571                             unsigned char rl = 0);
3572 @end example 
3573
3574 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3575 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3576 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3577 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3578 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3579 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3580 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3581 is either a vector or a list holding vector's components.
3582
3583 @cindex @code{clifford_max_label()}
3584 Finally the function
3585
3586 @example
3587 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3588 @end example
3589
3590 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3591 such objects are found it returns the maximal
3592 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3593 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3594 be ignored during the search.
3595  
3596 LaTeX output for Clifford units looks like
3597 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3598 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3599 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3600 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3601 @example
3602     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3603 @end example
3604 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3605 @example
3606     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3607 @end example
3608 prints units with @code{representation_label=0} as 
3609 @tex
3610 $e$,
3611 @end tex
3612 @ifnottex
3613 @code{e},
3614 @end ifnottex
3615 with @code{representation_label=1} as 
3616 @tex
3617 $\tilde{e}$
3618 @end tex
3619 @ifnottex
3620 @code{\tilde@{e@}}
3621 @end ifnottex
3622  and with @code{representation_label=2} as 
3623 @tex
3624 $\breve{e}$.
3625 @end tex
3626 @ifnottex
3627 @code{\breve@{e@}}.
3628 @end ifnottex
3629
3630 @cindex @code{color} (class)
3631 @subsection Color algebra
3632
3633 @cindex @code{color_T()}
3634 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3635 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3636 elements @math{T_a} are constructed by the function
3637
3638 @example
3639 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3640 @end example
3641
3642 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3643 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3644 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3645 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3646 not @code{varidx}.
3647
3648 @cindex @code{color_ONE()}
3649 The unity element of a color algebra is constructed by
3650
3651 @example
3652 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3653 @end example
3654
3655 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3656 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3657 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3658 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3659 GiNaC may produce incorrect results.
3660
3661 @cindex @code{color_d()}
3662 @cindex @code{color_f()}
3663 The functions
3664
3665 @example
3666 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3667 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3668 @end example
3669
3670 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3671 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3672 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3673
3674 These functions evaluate to their numerical values,
3675 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3676 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3677 goes along better with the notations used in physical literature.
3678
3679 @cindex @code{color_h()}
3680 There's an additional function
3681
3682 @example
3683 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3684 @end example
3685
3686 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3687
3688 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3689 expressions containing color objects:
3690
3691 @example
3692 @{
3693     ...
3694     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3695         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3696
3697     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3698     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3699      // -> 0
3700
3701     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3702     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3703      // -> 5/3*delta.k.l
3704
3705     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3706     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3707      // -> 3*delta.k.l
3708
3709     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3710     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3711      // -> -32/3
3712
3713     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3714     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3715      // -> -2/3*T.a
3716
3717     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3718     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3719      // -> -8/9*ONE
3720
3721     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3722     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3723      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3724     ...
3725 @end example
3726
3727 @cindex @code{color_trace()}
3728 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3729 of the functions
3730
3731 @example
3732 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3733 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3734 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3735 @end example
3736
3737 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3738 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3739 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3740 example:
3741
3742 @example
3743     ...
3744     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3745     cout << e << endl;
3746      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3747 @}
3748 @end example
3749
3750
3751 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3752 @c    node-name, next, previous, up
3753 @section Hash Maps
3754 @cindex hash maps
3755 @cindex @code{exhashmap} (class)
3756
3757 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3758 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3759 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3760 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3761
3762 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3763 following differences:
3764
3765 @itemize @bullet
3766 @item
3767 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3768 @item
3769 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3770 @item 
3771 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3772 @item
3773 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3774 @code{ex_is_less}
3775 @item
3776 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3777 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3778 larger than the specified value)
3779 @item
3780 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3781 table
3782 @item 
3783 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3784 @end itemize
3785
3786
3787 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3788 @c    node-name, next, previous, up
3789 @chapter Methods and functions
3790 @cindex polynomial
3791
3792 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3793 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3794 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3795 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3796 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3797 example:
3798
3799 @example
3800     ...
3801     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3802     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3803     ...
3804 @end example
3805
3806 @cindex @code{subs()}
3807 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3808 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3809 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3810 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3811 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3812 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3813 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3814 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3815 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3816 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3817 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3818 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3819 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3820 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3821 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3822 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3823 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3824 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3825 avoided.
3826
3827 @menu
3828 * Information about expressions::
3829 * Numerical evaluation::
3830 * Substituting expressions::
3831 * Pattern matching and advanced substitutions::
3832 * Applying a function on subexpressions::
3833 * Visitors and tree traversal::
3834 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3835 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3836 * Symbolic differentiation::
3837 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3838 * Symmetrization::
3839 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3840 * Multiple polylogarithms::
3841 * Complex expressions::
3842 * Solving linear systems of equations::
3843 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3844 @end menu
3845
3846
3847 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3848 @c    node-name, next, previous, up
3849 @section Getting information about expressions
3850
3851 @subsection Checking expression types
3852 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3853 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3854 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3855 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3856 @cindex @code{info()}
3857 @cindex @code{return_type()}
3858 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3859
3860 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3861 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3862 GiNaC provides a couple of functions for this:
3863
3864 @example
3865 bool is_a<T>(const ex & e);
3866 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3867 bool ex::info(unsigned flag);
3868 unsigned ex::return_type() const;
3869 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3870 @end example
3871
3872 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3873 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3874 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3875 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3876
3877 @example
3878 @{
3879     @dots{}
3880     if (is_a<numeric>(e))
3881         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3882     @dots{}
3883 @}
3884 @end example
3885
3886 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3887 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3888 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3889 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3890
3891 @example
3892 @{
3893     symbol x("x");
3894     ex e1 = 42;
3895     ex e2 = 4*x - 3;
3896     is_a<numeric>(e1);  // true
3897     is_a<numeric>(e2);  // false
3898     is_a<add>(e1);      // false
3899     is_a<add>(e2);      // true
3900     is_a<mul>(e1);      // false
3901     is_a<mul>(e2);      // false
3902 @}
3903 @end example
3904
3905 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3906 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3907 class @samp{T}, not including parent classes.
3908
3909 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3910 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3911 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3912 table:
3913
3914 @cartouche
3915 @multitable @columnfractions .30 .70
3916 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3917 @item @code{numeric}
3918 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3919 @item @code{real}
3920 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3921 @item @code{rational}
3922 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3923 @item @code{integer}
3924 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3925 @item @code{crational}
3926 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3927 @item @code{cinteger}
3928 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3929 @item @code{positive}
3930 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3931 @item @code{negative}
3932 @tab @dots{}not complex and less than 0
3933 @item @code{nonnegative}
3934 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3935 @item @code{posint}
3936 @tab @dots{}an integer greater than 0
3937 @item @code{negint}
3938 @tab @dots{}an integer less than 0
3939 @item @code{nonnegint}
3940 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3941 @item @code{even}
3942 @tab @dots{}an even integer
3943 @item @code{odd}
3944 @tab @dots{}an odd integer
3945 @item @code{prime}
3946 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3947 @item @code{relation}
3948 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3949 @item @code{relation_equal}
3950 @tab @dots{}a @code{==} relation
3951 @item @code{relation_not_equal}
3952 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3953 @item @code{relation_less}
3954 @tab @dots{}a @code{<} relation
3955 @item @code{relation_less_or_equal}
3956 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3957 @item @code{relation_greater}
3958 @tab @dots{}a @code{>} relation
3959 @item @code{relation_greater_or_equal}
3960 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3961 @item @code{symbol}
3962 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3963 @item @code{list}
3964 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3965 @item @code{polynomial}
3966 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3967 @item @code{integer_polynomial}
3968 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3969 @item @code{cinteger_polynomial}
3970 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3971 @item @code{rational_polynomial}
3972 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3973 @item @code{crational_polynomial}
3974 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3975 @item @code{rational_function}
3976 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3977 @item @code{algebraic}
3978 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3979 @end multitable
3980 @end cartouche
3981
3982 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3983 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3984 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3985 for an explanation of these.
3986
3987
3988 @subsection Accessing subexpressions
3989 @cindex container
3990
3991 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3992 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3993 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3994 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3995
3996 @cindex @code{nops()}
3997 @cindex @code{op()}
3998 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3999 use the two methods
4000
4001 @example
4002 size_t ex::nops();
4003 ex ex::op(size_t i);
4004 @end example
4005
4006 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4007 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4008 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4009 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4010 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4011 @math{i>0} are the indices.
4012
4013 @cindex iterators
4014 @cindex @code{const_iterator}
4015 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4016 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4017
4018 @example
4019 const_iterator ex::begin();
4020 const_iterator ex::end();
4021 @end example
4022
4023 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4024 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4025 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4026 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4027
4028 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4029 given expression in three different ways:
4030
4031 @example
4032 @{
4033     ex e = ...
4034
4035     // with nops()/op()
4036     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4037         cout << e.op(i) << endl;
4038
4039     // with iterators
4040     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4041         cout << *i << endl;
4042
4043     // with iterators and STL copy()
4044     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4045 @}
4046 @end example
4047
4048 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4049 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4050 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4051 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4052 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4053 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4054 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4055 methods
4056
4057 @example
4058 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4059 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4060 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4061 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4062 @end example
4063
4064 The following example illustrates the differences between
4065 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4066 @code{const_postorder_iterator}:
4067
4068 @example
4069 @{
4070     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4071     ex e = lst(lst(A, B), C);
4072
4073     std::copy(e.begin(), e.end(),
4074               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4075     // @{A,B@}
4076     // C
4077
4078     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4079               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4080     // @{@{A,B@},C@}
4081     // @{A,B@}
4082     // A
4083     // B
4084     // C
4085
4086     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4087               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4088     // A
4089     // B
4090     // @{A,B@}
4091     // C
4092     // @{@{A,B@},C@}
4093 @}
4094 @end example
4095
4096 @cindex @code{relational} (class)
4097 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4098 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4099 methods
4100
4101 @example
4102 ex ex::lhs();
4103 ex ex::rhs();
4104 @end example
4105
4106
4107 @subsection Comparing expressions
4108 @cindex @code{is_equal()}
4109 @cindex @code{is_zero()}
4110
4111 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4112 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4113 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4114 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4115 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4116 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4117 @code{false}.
4118
4119 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4120 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4121 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4122
4123 There are also two methods
4124
4125 @example
4126 bool ex::is_equal(const ex & other);
4127 bool ex::is_zero();
4128 @end example
4129
4130 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4131 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4132 @pxref{Matrices}. 
4133
4134
4135 @subsection Ordering expressions
4136 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4137 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4138 @cindex @code{compare()}
4139
4140 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4141 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4142 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4143 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4144
4145 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4146 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4147 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4148 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4149 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4150 yield @code{true}.
4151
4152 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4153 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4154 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4155 predicates to the STL:
4156
4157 @example
4158 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4159 public:
4160     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4161 @};
4162
4163 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4164 public:
4165     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4166 @};
4167 @end example
4168
4169 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4170 have to use
4171
4172 @example
4173 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4174 @end example
4175
4176 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4177 bugs because the map operates improperly.
4178
4179 Other examples for the use of the functors:
4180
4181 @example
4182 std::vector<ex> v;
4183 // fill vector
4184 ...
4185
4186 // sort vector
4187 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4188
4189 // count the number of expressions equal to '1'
4190 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4191                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4192 @end example
4193
4194 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4195
4196 @example
4197 int ex::compare(const ex & other) const;
4198 @end example
4199
4200 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4201 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4202 after @code{other}.
4203
4204
4205 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4206 @c    node-name, next, previous, up
4207 @section Numerical evaluation
4208 @cindex @code{evalf()}
4209
4210 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4211 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4212
4213 @example
4214 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4215 @end example
4216
4217 @cindex @code{Digits}
4218 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4219 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4220 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4221
4222 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4223 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4224
4225 @example
4226 @{
4227     // Approximate sin(x/Pi)
4228     symbol x("x");
4229     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4230
4231     // Evaluate numerically at x=0.1
4232     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4233
4234     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4235     if (is_a<numeric>(f)) @{
4236         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4237         cout << d << endl;
4238          // -> 0.0318256
4239     @} else
4240         // error
4241 @}
4242 @end example
4243
4244
4245 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4246 @c    node-name, next, previous, up
4247 @section Substituting expressions
4248 @cindex @code{subs()}
4249
4250 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4251 expressions via the @code{.subs()} method:
4252
4253 @example
4254 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4255 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4256 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4257 @end example
4258
4259 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4260 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4261
4262 @example
4263 @{
4264     symbol x("x"), y("y");
4265
4266     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4267     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4268      // -> 73
4269
4270     ex e2 = x*y + x;
4271     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4272      // -> -10
4273 @}
4274 @end example
4275
4276 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4277 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4278
4279 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4280 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4281 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4282 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4283 be substituted is large or unknown.
4284
4285 Using this form, the second example from above would look like this:
4286
4287 @example
4288 @{
4289     symbol x("x"), y("y");
4290     ex e2 = x*y + x;
4291
4292     exmap m;
4293     m[x] = -2;
4294     m[y] = 4;
4295     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4296 @}
4297 @end example
4298
4299 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4300 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4301 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4302
4303 @example
4304 @{
4305     symbol x("x"), y("y");
4306     ex e2 = x*y + x;
4307
4308     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4309 @}
4310 @end example
4311
4312 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4313 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4314 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4315 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4316 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4317 algebraic substitutions in products and powers.
4318 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4319 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4320 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4321 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4322 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4323 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4324
4325 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4326 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4327 following example:
4328
4329 @example
4330 @{
4331     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4332
4333     ex e1 = pow(x+y, 2);
4334     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4335      // -> 16
4336
4337     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4338     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4339      // -> cos(x)^2*sin(y)
4340
4341     ex e3 = x+y+z;
4342     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4343      // -> x+y+z
4344      // (and not 4+z as one might expect)
4345 @}
4346 @end example
4347
4348 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4349 next section.
4350
4351
4352 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4353 @c    node-name, next, previous, up
4354 @section Pattern matching and advanced substitutions
4355 @cindex @code{wildcard} (class)
4356 @cindex Pattern matching
4357
4358 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4359 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4360 substituting expressions in a more general way.
4361
4362 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4363 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4364 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4365 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4366 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4367 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4368 with the call
4369
4370 @example
4371 ex wild(unsigned label = 0);
4372 @end example
4373
4374 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4375 name.
4376
4377 Some examples for patterns:
4378
4379 @multitable @columnfractions .5 .5
4380 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4381 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4382 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4383 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4384 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4385 @end multitable
4386
4387 Notes:
4388
4389 @itemize @bullet
4390 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4391   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4392 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4393   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4394   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4395 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4396   possible to use them as placeholders for other properties like index
4397   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4398   etc.
4399 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4400   as part of noncommutative products.
4401 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4402   are also valid patterns.
4403 @end itemize
4404
4405 @subsection Matching expressions
4406 @cindex @code{match()}
4407 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4408 matches a given pattern. This is done by the function
4409
4410 @example
4411 bool ex::match(const ex & pattern);
4412 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4413 @end example
4414
4415 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4416 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4417 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4418 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4419 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4420
4421 The matching algorithm works as follows:
4422
4423 @itemize
4424 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4425   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4426   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4427   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4428 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4429   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4430   etc.).
4431 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4432   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4433 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4434   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4435   of the pattern.
4436 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4437   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4438 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4439   match the corresponding subexpression of the pattern.
4440 @end itemize
4441
4442 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4443 account for their commutativity and associativity:
4444
4445 @itemize
4446 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4447   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4448   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4449   way.
4450 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4451   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4452   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4453   further matches.
4454 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4455   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4456   which case this wildcard matches the remaining terms.
4457 @end itemize
4458
4459 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4460 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4461 ambiguous results.
4462
4463 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4464 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4465 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4466
4467 @example
4468 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4469 @{@}
4470 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4471 FAIL
4472 > match((x+y)^a,$1^$2);
4473 @{$1==x+y,$2==a@}
4474 > match((x+y)^a,$1^$1);
4475 FAIL
4476 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4477 @{$1==x+y@}
4478 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4479 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4480 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4481 @{$1==a@}
4482 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4483 @{$1==b,$2==c@}
4484   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4485 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4486   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4487    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4488    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4489    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4490    fail.)
4491 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4492   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4493    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4494 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4495 FAIL
4496 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4497 @{$0==a+e+b+f+d@}
4498 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4499 @{$0==a+b+f+d@}
4500 > match(a+b,a+b+$0);
4501 @{$0==0@}
4502 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4503 FAIL
4504   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4505    even though a==a^1.)
4506 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4507 @{$0==x@}
4508 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4509 @{$0==x^2@}
4510 @end example
4511
4512 @subsection Matching parts of expressions
4513 @cindex @code{has()}
4514 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4515 member function
4516
4517 @example
4518 bool ex::has(const ex & pattern);
4519 @end example
4520
4521 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4522 by any of its subexpressions.
4523
4524 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4525 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4526
4527 @example
4528 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4529 1
4530 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4531 0
4532   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4533    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4534 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4535 1
4536   (But this is possible.)
4537 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4538 0
4539   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4540    which "x+y" is not a subexpression.)
4541 > has(x+1,x^$1);
4542 0
4543   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4544    "x^something".)
4545 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4546 1
4547 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4548 0
4549   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4550    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4551    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4552 @end example
4553
4554 @cindex @code{find()}
4555 The method
4556
4557 @example
4558 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4559 @end example
4560
4561 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4562 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4563 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4564 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4565 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4566
4567 @example
4568 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4569 @{x@}
4570 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4571 @{@}
4572 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4573 @{x^3,x^2@}
4574   (Note the absence of "x".)
4575 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4576 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4577 > find(%,sin($1));
4578 @{sin(y),sin(x)@}
4579 @end example
4580
4581 @subsection Substituting expressions
4582 @cindex @code{subs()}
4583 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4584 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4585 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4586 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4587 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4588
4589 Some examples:
4590
4591 @example
4592 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4593 b^3+a^3+(x+y)^3
4594 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4595 b^4+a^4+(x+y)^4
4596 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4597 (a+b+c)^2
4598 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4599 (x+c)^2
4600 > subs(a+2*b,a+b==x);
4601 a+2*b
4602 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4603 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4604 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4605 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4606 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4607 cos(1+cos(x))
4608 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4609 a+b
4610 @end example
4611
4612 The last example would be written in C++ in this way:
4613
4614 @example
4615 @{
4616     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4617     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4618     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4619     cout << e.expand() << endl;
4620      // -> a+b
4621 @}
4622 @end example
4623
4624 @subsection The option algebraic
4625 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4626 extra options. This section describes what happens if you give the former
4627 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4628 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4629 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4630 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4631 If you use these options you will find that
4632 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4633 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4634 often as is possible without getting negative exponents. For example
4635 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4636 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4637 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4638 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4639
4640 @strong{Note:} this only works for multiplications
4641 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4642
4643
4644 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4645 @c    node-name, next, previous, up
4646 @section Applying a function on subexpressions
4647 @cindex tree traversal
4648 @cindex @code{map()}
4649
4650 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4651 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4652 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4653 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4654 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4655 to do this manually which usually results in code like this:
4656
4657 @example
4658 ex calc_trace(ex e)
4659 @{
4660     if (is_a<matrix>(e))
4661         return ex_to<matrix>(e).trace();
4662     else if (is_a<add>(e)) @{
4663         ex sum = 0;
4664         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4665             sum += calc_trace(e.op(i));
4666         return sum;
4667     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4668         ...
4669     @} else @{
4670         ...
4671     @}
4672 @}
4673 @end example
4674
4675 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4676 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4677 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4678 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4679 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4680
4681 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4682 operations:
4683
4684 @example
4685 ex ex::map(map_function & f) const;
4686 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4687 @end example
4688
4689 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4690 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4691 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4692 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4693 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4694 non-recursively.
4695
4696 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4697 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4698 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4699 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4700 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4701
4702 @example
4703 struct calc_trace : public map_function @{
4704     ex operator()(const ex &e)
4705     @{
4706         if (is_a<matrix>(e))
4707             return ex_to<matrix>(e).trace();
4708         else if (is_a<mul>(e)) @{
4709             ...
4710         @} else
4711             return e.map(*this);
4712     @}
4713 @};
4714 @end example
4715
4716 This function object could then be used like this:
4717
4718 @example
4719 @{
4720     ex M = ... // expression with matrices
4721     calc_trace do_trace;
4722     ex tr = do_trace(M);
4723 @}
4724 @end example
4725
4726 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4727 terms in a variable from an expanded polynomial:
4728
4729 @example
4730 struct map_rem_quad : public map_function @{
4731     ex var;
4732     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4733
4734     ex operator()(const ex & e)
4735     @{
4736         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4737             return e.map(*this);
4738         else if (is_a<power>(e) && 
4739                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4740             return 0;
4741         else
4742             return e;
4743     @}
4744 @};
4745
4746 ...
4747
4748 @{
4749     symbol x("x"), y("y");
4750
4751     ex e;
4752     for (int i=0; i<8; i++)
4753         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4754     cout << e << endl;
4755      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
4756
4757     map_rem_quad rem_quad(x);
4758     cout << rem_quad(e) << endl;
4759      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4760 @}
4761 @end example
4762
4763 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4764 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4765 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4766 acts as the placeholder for the operands:
4767
4768 @example
4769 > map(a*b,sin($0));
4770 sin(a)*sin(b)
4771 > map(a+2*b,sin($0));
4772 sin(a)+sin(2*b)
4773 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4774 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4775 @end example
4776
4777 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4778 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4779 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4780
4781 @example
4782 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4783 @{0,0,0@}
4784   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4785   to "map(@{a,b,c@},0)".
4786 @end example
4787
4788
4789 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4790 @c    node-name, next, previous, up
4791 @section Visitors and tree traversal
4792 @cindex tree traversal
4793 @cindex @code{visitor} (class)
4794 @cindex @code{accept()}
4795 @cindex @code{visit()}
4796 @cindex @code{traverse()}
4797 @cindex @code{traverse_preorder()}
4798 @cindex @code{traverse_postorder()}
4799
4800 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4801 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4802 indices with variance you always want the covariant version returned.
4803
4804 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4805 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4806 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4807 with variance, one for plain ones).
4808
4809 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4810 such as the following:
4811
4812 @example
4813 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4814 @{
4815     if (is_a<varidx>(e)) @{
4816         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4817         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4818     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4819         l.append(e);
4820     @} else @{
4821         size_t n = e.nops();
4822         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4823             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4824     @}
4825 @}
4826
4827 lst gather_indices(const ex & e)
4828 @{
4829     lst l;
4830     gather_indices_helper(e, l);
4831     l.sort();
4832     l.unique();
4833     return l;
4834 @}
4835 @end example
4836
4837 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4838 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4839 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4840
4841 @example
4842     if (is_a<idx>(e)) @{
4843       ...
4844     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4845       ...
4846 @end example
4847
4848 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4849 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4850 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4851 executed.
4852
4853 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4854 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4855 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4856 write a function that required a different implementation for nearly
4857 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4858
4859 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4860 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4861 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4862 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4863 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4864 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4865 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4866 presented this would be impractical.
4867
4868 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4869 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4870 variation, described in detail in
4871 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4872 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4873 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4874 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4875 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4876 object that @code{accept()} was being invoked on.
4877
4878 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4879 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4880 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4881 each class.
4882
4883 A call of
4884
4885 @example
4886 void ex::accept(visitor & v) const;
4887 @end example
4888
4889 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4890 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4891 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4892
4893 Here is an example of a visitor:
4894
4895 @example
4896 class my_visitor
4897  : public visitor,          // this is required
4898    public add::visitor,     // visit add objects
4899    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4900    public basic::visitor    // visit basic objects
4901 @{
4902     void visit(const add & x)
4903     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4904
4905     void visit(const numeric & x)
4906     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4907
4908     void visit(const basic & x)
4909     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4910 @};
4911 @end example
4912
4913 which can be used as follows:
4914
4915 @example
4916 ...
4917     symbol x("x");
4918     ex e1 = 42;
4919     ex e2 = 4*x-3;
4920     ex e3 = 8*x;
4921
4922     my_visitor v;
4923     e1.accept(v);
4924      // prints "called with a numeric object"
4925     e2.accept(v);
4926      // prints "called with an add object"
4927     e3.accept(v);
4928      // prints "called with a basic object"
4929 ...
4930 @end example
4931
4932 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4933 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4934
4935 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4936 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4937 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4938 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4939 hierarchies of visitors.
4940
4941 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4942
4943 @example
4944 class gather_indices_visitor
4945  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4946 @{
4947     lst l;
4948
4949     void visit(const idx & i)
4950     @{
4951         l.append(i);
4952     @}
4953
4954     void visit(const varidx & vi)
4955     @{
4956         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4957     @}
4958
4959 public:
4960     const lst & get_result() // utility function
4961     @{
4962         l.sort();
4963         l.unique();
4964         return l;
4965     @}
4966 @};
4967 @end example
4968
4969 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4970 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4971
4972 @example
4973 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4974 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4975 void ex::traverse(visitor & v) const;
4976 @end example
4977
4978 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4979 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4980 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4981 @code{traverse_preorder()}.
4982
4983 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4984 and @code{traverse()}:
4985
4986 @example
4987 lst gather_indices(const ex & e)
4988 @{
4989     gather_indices_visitor v;
4990     e.traverse(v);
4991     return v.get_result();
4992 @}
4993 @end example
4994
4995 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4996 traversal:
4997
4998 @example
4999 lst gather_indices(const ex & e)
5000 @{
5001     gather_indices_visitor v;
5002     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5003          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5004         i->accept(v);
5005     @}
5006     return v.get_result();
5007 @}
5008 @end example
5009
5010
5011 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5012 @c    node-name, next, previous, up
5013 @section Polynomial arithmetic
5014
5015 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5016 @cindex @code{is_polynomial()}
5017
5018 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5019 can be done with the method
5020 @example
5021 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5022 @end example
5023 In the case of more than
5024 one variable, the variables are given as a list.
5025
5026 @example
5027 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5028 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5029 @end example
5030
5031 @subsection Expanding and collecting
5032 @cindex @code{expand()}
5033 @cindex @code{collect()}
5034 @cindex @code{collect_common_factors()}
5035
5036 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5037 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5038 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5039 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5040 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5041 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5042 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5043 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5044 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5045 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5046 x*z}.
5047
5048 To bring an expression into expanded form, its method
5049
5050 @example
5051 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5052 @end example
5053
5054 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5055 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5056 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5057 orderings of terms in such sums!
5058
5059 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5060 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5061 being polynomials in the remaining variables.  The method
5062 @code{collect()} accomplishes this task:
5063
5064 @example
5065 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5066 @end example
5067
5068 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5069 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5070 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5071 by the @code{distributed} flag.
5072
5073 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5074 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5075 coefficients properly.
5076
5077 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5078 together with @code{find()}:
5079
5080 @example
5081 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5082 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)
5083 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5084 > collect(a,@{p,q@});
5085 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5086 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5087 > collect(a,find(a,sin($1)));
5088 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5089 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5090 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5091 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5092 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5093 @end example
5094
5095 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5096 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5097
5098 @example
5099 ex collect_common_factors(const ex & e);
5100 @end example
5101
5102 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5103 factors which are already explicitly present:
5104
5105 @example
5106 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5107 (x+y)*a
5108 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5109 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5110 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5111 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5112 @end example
5113
5114 @subsection Degree and coefficients
5115 @cindex @code{degree()}
5116 @cindex @code{ldegree()}
5117 @cindex @code{coeff()}
5118
5119 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5120 methods
5121
5122 @example
5123 int ex::degree(const ex & s);
5124 int ex::ldegree(const ex & s);
5125 @end example
5126
5127 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5128 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5129 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5130 an expanded polynomial you use
5131
5132 @example
5133 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5134 @end example
5135
5136 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5137
5138 @example
5139 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5140 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5141 @end example
5142
5143 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5144 respectively.
5145
5146 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5147 polynomial is analyzed:
5148
5149 @example
5150 @{
5151     symbol x("x"), y("y");
5152     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5153                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5154     ex Poly = PolyInp.expand();
5155     
5156     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5157         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5158              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5159     @}
5160     cout << "As polynomial in y: " 
5161          << Poly.collect(y) << endl;
5162 @}
5163 @end example
5164
5165 When run, it returns an output in the following fashion:
5166
5167 @example
5168 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5169 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5170 The x^2-coefficient is -1
5171 The x^3-coefficient is 4*y
5172 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5173 @end example
5174
5175 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5176 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5177 within the user's sphere of influence.
5178
5179 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5180 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5181 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5182 constants, functions and indexed objects as well:
5183
5184 @example
5185 @{
5186     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5187     idx i(symbol("i"), 3);
5188
5189     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5190     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5191      // -> 4
5192     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5193      // -> -4*cos(x)
5194
5195     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5196     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5197     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5198      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5199 @}
5200 @end example
5201
5202
5203 @subsection Polynomial division
5204 @cindex polynomial division
5205 @cindex quotient
5206 @cindex remainder
5207 @cindex pseudo-remainder
5208 @cindex @code{quo()}
5209 @cindex @code{rem()}
5210 @cindex @code{prem()}
5211 @cindex @code{divide()}
5212
5213 The two functions
5214
5215 @example
5216 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5217 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5218 @end example
5219
5220 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5221 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5222
5223 The additional function
5224
5225 @example
5226 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5227 @end example
5228
5229 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5230 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5231
5232 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5233
5234 @example
5235 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5236 @end example
5237
5238 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5239 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5240 in which case the value of @code{q} is undefined.
5241
5242
5243 @subsection Unit, content and primitive part
5244 @cindex @code{unit()}
5245 @cindex @code{content()}
5246 @cindex @code{primpart()}
5247 @cindex @code{unitcontprim()}
5248
5249 The methods
5250
5251 @example
5252 ex ex::unit(const ex & x);
5253 ex ex::content(const ex & x);
5254 ex ex::primpart(const ex & x);
5255 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5256 @end example
5257
5258 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5259 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5260 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5261 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5262 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5263 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5264 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5265 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5266
5267 Additionally, the method
5268
5269 @example
5270 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5271 @end example
5272
5273 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5274 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5275
5276
5277 @subsection GCD, LCM and resultant
5278 @cindex GCD
5279 @cindex LCM
5280 @cindex @code{gcd()}
5281 @cindex @code{lcm()}
5282
5283 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5284 multiple have the synopsis
5285
5286 @example
5287 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5288 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5289 @end example
5290
5291 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5292 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5293 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5294 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5295 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5296 the coefficients must be rationals.
5297
5298 @example
5299 #include <ginac/ginac.h>
5300 using namespace GiNaC;
5301
5302 int main()
5303 @{
5304     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5305     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5306     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5307
5308     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5309     // x + 5*y + 4*z
5310     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5311     // 4*x*y^2 + 13*y*x*z + 20*y^3 + 81*y^2*z + 67*y*z^2 + 3*x*z^2 + 12*z^3
5312 @}
5313 @end example
5314
5315 @cindex resultant
5316 @cindex @code{resultant()}
5317
5318 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5319 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5320 expressions. The function has the interface
5321
5322 @example
5323 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5324 @end example
5325
5326 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5327 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5328 @code{y}, respectively:
5329
5330 @example
5331 #include <ginac/ginac.h>
5332 using namespace GiNaC;
5333
5334 int main()
5335 @{
5336     symbol x("x"), y("y");
5337
5338     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5339     ex r;
5340     
5341     r = resultant(e1, e2, x); 
5342     // -> 1+2*y^6
5343     r = resultant(e1, e2, y); 
5344     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5345 @}
5346 @end example
5347
5348 @subsection Square-free decomposition
5349 @cindex square-free decomposition
5350 @cindex factorization
5351 @cindex @code{sqrfree()}
5352
5353 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5354 @example
5355 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5356 @end example
5357 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5358 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5359 some care with subsequent processing of the result:
5360 @example
5361     ...
5362     symbol x("x"), y("y");
5363     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5364
5365     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5366      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5367
5368     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5369      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5370
5371     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5372      // -> depending on luck, any of the above
5373     ...
5374 @end example
5375 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5376 with this method.
5377
5378 @subsection Polynomial factorization
5379 @cindex factorization
5380 @cindex polynomial factorization
5381 @cindex @code{factor()}
5382
5383 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5384 @example
5385 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5386 @end example
5387 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5388 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5389 @example
5390     ...
5391     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5392      // -> (1+x)*(-1+x)
5393     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5394      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5395     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5396      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5397     ...
5398 @end example
5399 The results are as expected except for the last one where no factorization
5400 seems to have been done. This is due to the default option
5401 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5402 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5403 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5404
5405 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5406 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5407 arguments. With this option the example gives:
5408 @example
5409     ...
5410     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5411          << endl;
5412      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5413     ...
5414 @end example
5415 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5416 the following example does not factor:
5417 @example
5418     ...
5419     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5420      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5421     ...
5422 @end example
5423 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5424 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5425 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5426 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5427 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5428 cheaper and more appropriate alternative.
5429
5430 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5431 @c    node-name, next, previous, up
5432 @section Rational expressions
5433
5434 @subsection The @code{normal} method
5435 @cindex @code{normal()}
5436 @cindex simplification
5437 @cindex temporary replacement
5438
5439 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5440 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5441 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5442 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5443 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5444 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5445
5446 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5447 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5448 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5449 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5450 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5451 @code{.to_rational()}, described below.
5452
5453 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5454 simplified in this little code snippet:
5455
5456 @example
5457 @{
5458     symbol x("x");
5459     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5460     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5461     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5462     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5463 @}
5464 @end example
5465
5466 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5467 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5468 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5469
5470
5471 @subsection Numerator and denominator
5472 @cindex numerator
5473 @cindex denominator
5474 @cindex @code{numer()}
5475 @cindex @code{denom()}
5476 @cindex @code{numer_denom()}
5477
5478 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5479
5480 @example
5481 ex ex::numer();
5482 ex ex::denom();
5483 ex ex::numer_denom();
5484 @end example
5485
5486 These functions will first normalize the expression as described above and
5487 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5488 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5489 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5490
5491
5492 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5493 @cindex @code{to_polynomial()}
5494 @cindex @code{to_rational()}
5495
5496 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5497 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5498 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5499 above. You do this by calling
5500
5501 @example
5502 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5503 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5504 @end example
5505 or
5506 @example
5507 ex ex::to_rational(exmap & m);
5508 ex ex::to_rational(lst & l);
5509 @end example
5510
5511 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5512 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5513 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5514 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5515 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5516 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5517
5518 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5519 is probably best illustrated with an example:
5520
5521 @example
5522 @{
5523     symbol x("x"), y("y");
5524     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5525     cout << a << endl;
5526
5527     lst lp;
5528     ex p = a.to_polynomial(lp);
5529     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5530      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5531      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5532
5533     lst lr;
5534     ex r = a.to_rational(lr);
5535     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5536      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5537      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5538 @}
5539 @end example
5540
5541 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5542
5543 @example
5544 @{
5545     symbol x("x");
5546     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5547     ex b = sin(x) + cos(x);
5548     ex q;
5549     exmap m;
5550     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5551     cout << q.subs(m) << endl;
5552 @}
5553 @end example
5554
5555
5556 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5557 @c    node-name, next, previous, up
5558 @section Symbolic differentiation
5559 @cindex differentiation
5560 @cindex @code{diff()}
5561 @cindex chain rule
5562 @cindex product rule
5563
5564 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5565 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5566 the derivatives of all the monomials:
5567
5568 @example
5569 @{
5570     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5571     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5572
5573     cout << P.diff(x,2) << endl;
5574      // -> 20*x^3 + 2
5575     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5576      // -> 1
5577     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5578      // -> 0
5579 @}
5580 @end example
5581
5582 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5583 returns the @var{n}th derivative.
5584
5585 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5586 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5587 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5588 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5589 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5590 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5591 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5592 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5593 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5594 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5595 lines:
5596
5597 @cindex Euler numbers
5598 @example
5599 #include <ginac/ginac.h>
5600 using namespace GiNaC;
5601
5602 ex EulerNumber(unsigned n)
5603 @{
5604     symbol x;
5605     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5606     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5607 @}
5608
5609 int main()
5610 @{
5611     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5612         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5613     return 0;
5614 @}
5615 @end example
5616
5617 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5618 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5619 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5620
5621
5622 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5623 @c    node-name, next, previous, up
5624 @section Series expansion
5625 @cindex @code{series()}
5626 @cindex Taylor expansion
5627 @cindex Laurent expansion
5628 @cindex @code{pseries} (class)
5629 @cindex @code{Order()}
5630
5631 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5632 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5633 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5634 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5635 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5636 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5637 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5638 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5639 term).  A sample application from special relativity could read:
5640
5641 @example
5642 #include <ginac/ginac.h>
5643 using namespace std;
5644 using namespace GiNaC;
5645
5646 int main()
5647 @{
5648     symbol v("v"), c("c");
5649     
5650     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5651     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5652     
5653     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5654          << mass_nonrel << endl;
5655     
5656     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5657          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5658 @}
5659 @end example
5660
5661 Only calling the series method makes the last output simplify to
5662 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5663 series raised to the power @math{-2}.
5664
5665 @cindex Machin's formula
5666 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5667 value of Archimedes' constant
5668 @tex
5669 $\pi$
5670 @end tex
5671 @ifnottex
5672 @math{Pi}
5673 @end ifnottex
5674 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5675 using John Machin's amazing formula
5676 @tex
5677 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5678 @end tex
5679 @ifnottex
5680 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5681 @end ifnottex
5682 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5683 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5684 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5685 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5686 order term with it and the question arises what the system is supposed
5687 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5688 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5689 term off:
5690
5691 @example
5692 #include <ginac/ginac.h>
5693 using namespace GiNaC;
5694
5695 ex machin_pi(int degr)
5696 @{
5697     symbol x;
5698     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5699     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5700                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5701     return pi_approx;
5702 @}
5703
5704 int main()
5705 @{
5706     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5707     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5708     ex pi_frac;
5709     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5710         pi_frac = machin_pi(i);
5711         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5712              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5713     @}
5714     return 0;
5715 @}
5716 @end example
5717
5718 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5719 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5720 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5721 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5722 program, it will type out:
5723
5724 @example
5725 2:      3804/1195
5726         3.1832635983263598326
5727 4:      5359397032/1706489875
5728         3.1405970293260603143
5729 6:      38279241713339684/12184551018734375
5730         3.141621029325034425
5731 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5732         3.141591772182177295
5733 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5734         3.1415926824043995174
5735 @end example
5736
5737
5738 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5739 @c    node-name, next, previous, up
5740 @section Symmetrization
5741 @cindex @code{symmetrize()}
5742 @cindex @code{antisymmetrize()}
5743 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5744
5745 The three methods
5746
5747 @example
5748 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5749 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5750 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5751 @end example
5752
5753 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5754 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5755 weighted by the number of permutations.
5756
5757 The three additional methods
5758
5759 @example
5760 ex ex::symmetrize();
5761 ex ex::antisymmetrize();
5762 ex ex::symmetrize_cyclic();
5763 @end example
5764
5765 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5766
5767 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5768 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5769
5770 @example
5771 @{
5772     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5773     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5774                                            
5775     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5776      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5777     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5778      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5779     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5780      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5781 @}
5782 @end example
5783
5784 @page
5785
5786 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5787 @c    node-name, next, previous, up
5788 @section Predefined mathematical functions
5789 @c
5790 @subsection Overview
5791
5792 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5793
5794 @cartouche
5795 @multitable @columnfractions .30 .70
5796 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5797 @item @code{abs(x)}
5798 @tab absolute value
5799 @cindex @code{abs()}
5800 @item @code{step(x)}
5801 @tab step function
5802 @cindex @code{step()}
5803 @item @code{csgn(x)}
5804 @tab complex sign
5805 @cindex @code{conjugate()}
5806 @item @code{conjugate(x)}
5807 @tab complex conjugation
5808 @cindex @code{real_part()}
5809 @item @code{real_part(x)}
5810 @tab real part
5811 @cindex @code{imag_part()}
5812 @item @code{imag_part(x)}
5813 @tab imaginary part
5814 @item @code{sqrt(x)}
5815 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5816 @cindex @code{sqrt()}
5817 @item @code{sin(x)}
5818 @tab sine
5819 @cindex @code{sin()}
5820 @item @code{cos(x)}
5821 @tab cosine
5822 @cindex @code{cos()}
5823 @item @code{tan(x)}
5824 @tab tangent
5825 @cindex @code{tan()}
5826 @item @code{asin(x)}
5827 @tab inverse sine
5828 @cindex @code{asin()}
5829 @item @code{acos(x)}
5830 @tab inverse cosine
5831 @cindex @code{acos()}
5832 @item @code{atan(x)}
5833 @tab inverse tangent
5834 @cindex @code{atan()}
5835 @item @code{atan2(y, x)}
5836 @tab inverse tangent with two arguments
5837 @item @code{sinh(x)}
5838 @tab hyperbolic sine
5839 @cindex @code{sinh()}
5840 @item @code{cosh(x)}
5841 @tab hyperbolic cosine
5842 @cindex @code{cosh()}
5843 @item @code{tanh(x)}
5844 @tab hyperbolic tangent
5845 @cindex @code{tanh()}
5846 @item @code{asinh(x)}
5847 @tab inverse hyperbolic sine
5848 @cindex @code{asinh()}
5849 @item @code{acosh(x)}
5850 @tab inverse hyperbolic cosine
5851 @cindex @code{acosh()}
5852 @item @code{atanh(x)}
5853 @tab inverse hyperbolic tangent
5854 @cindex @code{atanh()}
5855 @item @code{exp(x)}
5856 @tab exponential function
5857 @cindex @code{exp()}
5858 @item @code{log(x)}
5859 @tab natural logarithm
5860 @cindex @code{log()}
5861 @item @code{Li2(x)}
5862 @tab dilogarithm
5863 @cindex @code{Li2()}
5864 @item @code{Li(m, x)}
5865 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5866 @cindex @code{Li()}
5867 @item @code{G(a, y)}
5868 @tab multiple polylogarithm
5869 @cindex @code{G()}
5870 @item @code{G(a, s, y)}
5871 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5872 @cindex @code{G()}
5873 @item @code{S(n, p, x)}
5874 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5875 @cindex @code{S()}
5876 @item @code{H(m, x)}
5877 @tab harmonic polylogarithm
5878 @cindex @code{H()}
5879 @item @code{zeta(m)}
5880 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5881 @cindex @code{zeta()}
5882 @item @code{zeta(m, s)}
5883 @tab alternating Euler sum
5884 @cindex @code{zeta()}
5885 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5886 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5887 @item @code{tgamma(x)}
5888 @tab gamma function
5889 @cindex @code{tgamma()}
5890 @cindex gamma function
5891 @item @code{lgamma(x)}
5892 @tab logarithm of gamma function
5893 @cindex @code{lgamma()}
5894 @item @code{beta(x, y)}
5895 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5896 @cindex @code{beta()}
5897 @item @code{psi(x)}
5898 @tab psi (digamma) function
5899 @cindex @code{psi()}
5900 @item @code{psi(n, x)}
5901 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5902 @item @code{factorial(n)}
5903 @tab factorial function @math{n!}
5904 @cindex @code{factorial()}
5905 @item @code{binomial(n, k)}
5906 @tab binomial coefficients
5907 @cindex @code{binomial()}
5908 @item @code{Order(x)}
5909 @tab order term function in truncated power series
5910 @cindex @code{Order()}
5911 @end multitable
5912 @end cartouche
5913
5914 @cindex branch cut
5915 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5916 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5917 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5918 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5919 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5920 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5921 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5922 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5923 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5924 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5925 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5926 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5927 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5928 compatible with C99.
5929
5930 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5931 @c    node-name, next, previous, up
5932 @subsection Multiple polylogarithms
5933
5934 @cindex polylogarithm
5935 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5936 @cindex harmonic polylogarithm
5937 @cindex multiple zeta value
5938 @cindex alternating Euler sum
5939 @cindex multiple polylogarithm
5940
5941 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5942 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5943 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5944 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5945 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5946 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5947 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5948 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5949 notations are more natural to the series representation or the integral
5950 representation, respectively.
5951
5952 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5953 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5954 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5955
5956 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5957 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5958 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5959 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5960 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5961 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5962 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5963 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5964 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5965 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5966 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5967
5968 The functions print in LaTeX format as
5969 @tex
5970 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5971 @end tex
5972 @tex
5973 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5974 @end tex
5975 @tex
5976 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5977 @end tex
5978 @tex
5979 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5980 @end tex
5981 @ifnottex
5982 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
5983 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
5984 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
5985 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
5986 @end ifnottex
5987 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5988 are printed with a line above, e.g.
5989 @tex
5990 $\zeta(5,\overline{2})$.
5991 @end tex
5992 @ifnottex
5993 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
5994 @end ifnottex
5995 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5996
5997 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5998 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5999 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6000 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6001
6002 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6003 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6004 the series representation. This means
6005 @tex
6006 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6007 @end tex
6008 @tex
6009 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6010 @end tex
6011 @tex
6012 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6013 @end tex
6014 @ifnottex
6015 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6016 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6017 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6018 @end ifnottex
6019 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6020 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6021
6022 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6023 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6024 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6025 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6026 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6027 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
6028 @tex
6029 $\zeta(\overline{3},4)$
6030 @end tex
6031 @ifnottex
6032 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6033 @end ifnottex
6034 and
6035 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
6036 @tex
6037 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6038 @end tex
6039 @ifnottex
6040 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6041 @end ifnottex
6042 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6043 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6044 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
6045 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6046 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6047 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6048 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6049
6050 @example
6051 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6052 S(2,2,x)
6053 > H(@{-3,2@},1);
6054 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6055 > S(3,1,1);
6056 1/90*Pi^4
6057 @end example
6058
6059 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6060 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6061 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6062 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6063 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6064 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6065
6066 @example
6067 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6068 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6069 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6070 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6071 @end example
6072
6073 Every function can be numerically evaluated for
6074 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6075 global variable @code{Digits}:
6076
6077 @example
6078 > Digits=100;
6079 100
6080 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6081 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6082 @end example
6083
6084 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6085 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6086
6087 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6088 unevaluated, e.g.
6089 @tex
6090 $\zeta(1)$.
6091 @end tex
6092 @ifnottex
6093 @command{zeta(1)}.
6094 @end ifnottex
6095 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6096 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6097 cancellations of divergencies happen.
6098
6099 Useful publications:
6100
6101 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6102 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6103
6104 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6105 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6106
6107 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6108 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6109
6110 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6111 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6112
6113 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6114 @c    node-name, next, previous, up
6115 @section Complex expressions
6116 @c
6117 @cindex @code{conjugate()}
6118
6119 For dealing with complex expressions there are the methods
6120
6121 @example
6122 ex ex::conjugate();
6123 ex ex::real_part();
6124 ex ex::imag_part();
6125 @end example
6126
6127 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6128 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6129 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6130 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6131 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6132 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6133 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6134 (symbols are complex by default), one could not simplify
6135 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6136 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6137
6138 For example,
6139 @example
6140 @{
6141     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6142     symbol x("x");
6143     realsymbol y("y");
6144                                            
6145     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6146      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6147     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6148      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6149 @}
6150 @end example
6151
6152 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6153 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6154 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6155 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6156 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6157 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6158 parts of user-defined functions.
6159
6160 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6161 @c    node-name, next, previous, up
6162 @section Solving linear systems of equations
6163 @cindex @code{lsolve()}
6164
6165 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6166 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6167 needs to be solved:
6168
6169 @example
6170 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6171           unsigned options = solve_algo::automatic);
6172 @end example
6173
6174 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6175 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6176 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6177 @code{lst}).
6178
6179 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6180 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6181
6182 @example
6183 @{
6184     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6185     lst eqns, vars;
6186     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6187     vars = x, y;
6188     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6189      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6190 @end example
6191
6192 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6193 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6194 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6195 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6196 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6197 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6198 around that method.
6199
6200
6201 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6202 @c    node-name, next, previous, up
6203 @section Input and output of expressions
6204 @cindex I/O
6205
6206 @subsection Expression output
6207 @cindex printing
6208 @cindex output of expressions
6209
6210 Expressions can simply be written to any stream:
6211
6212 @example
6213 @{
6214     symbol x("x");
6215     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6216     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6217     // ...
6218 @end example
6219
6220 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6221 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6222 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6223 is printed as @samp{x^2}).
6224
6225 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6226 a set of stream manipulators;
6227
6228 @example
6229 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6230 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6231 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6232 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6233 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6234 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6235 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6236 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6237 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6238 @end example
6239
6240 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6241 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6242 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6243
6244 @cindex @code{dflt}
6245 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6246 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6247
6248 @example
6249     // ...
6250     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6251                               // now on
6252     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6253     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6254     cout << dflt;             // revert to default output format
6255     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6256     // ...
6257 @end example
6258
6259 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6260 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6261
6262 @example
6263     // ...
6264     ostringstream s;
6265     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6266     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6267     // ...
6268 @end example
6269
6270 @anchor{csrc printing}
6271 @cindex @code{csrc}
6272 @cindex @code{csrc_float}
6273 @cindex @code{csrc_double}
6274 @cindex @code{csrc_cl_N}
6275 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6276 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6277 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6278 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6279 classes provided by the CLN library):
6280
6281 @example
6282     // ...
6283     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6284     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6285     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6286     // ...
6287 @end example
6288
6289 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6290 @code{x*x}):
6291
6292 @example
6293 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6294 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6295 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6296 @end example
6297
6298 @cindex @code{tree}
6299 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6300 expression for debugging purposes:
6301
6302 @example
6303     // ...
6304     cout << tree << e;
6305 @}
6306 @end example
6307
6308 produces
6309
6310 @example
6311 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6312     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6313         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6314         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6315     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6316     -----
6317     overall_coeff
6318     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6319     =====
6320 @end example
6321
6322 @cindex @code{latex}
6323 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6324 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6325 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6326 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6327 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6328 constructor.
6329
6330 For example, the code snippet
6331
6332 @example
6333 @{
6334     symbol x("x", "\\circ");
6335     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6336     cout << latex << e << endl;
6337 @}
6338 @end example
6339
6340 will print
6341
6342 @example
6343     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6344     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6345 @end example
6346
6347 @cindex @code{index_dimensions}
6348 @cindex @code{no_index_dimensions}
6349 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6350 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6351 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6352 formats:
6353
6354 @example
6355 @{
6356     symbol x("x"), y("y");
6357     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6358     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6359
6360     cout << e << endl;
6361      // prints 'x~mu*y~nu'
6362     cout << index_dimensions << e << endl;
6363      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6364     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6365      // prints 'x~mu*y~nu'
6366 @}
6367 @end example
6368
6369
6370 @cindex Tree traversal
6371 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6372 with other algebra systems or for producing code for different
6373 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6374
6375 @example
6376 static void my_print(const ex & e)
6377 @{
6378     if (is_a<function>(e))
6379         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6380     else
6381         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6382     cout << "(";
6383     size_t n = e.nops();
6384     if (n)
6385         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6386             my_print(e.op(i));
6387             if (i != n-1)
6388                 cout << ",";
6389         @}
6390     else
6391         cout << e;
6392     cout << ")";
6393 @}
6394
6395 int main()
6396 @{
6397     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6398     return 0;
6399 @}
6400 @end example
6401
6402 This will produce
6403
6404 @example
6405 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6406 symbol(y))),numeric(-2)))
6407 @end example
6408
6409 If you need an output format that makes it possible to accurately
6410 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6411 object factory, you should consider storing the expression in an
6412 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6413 See the section on archiving for more information.
6414
6415
6416 @subsection Expression input
6417 @cindex input of expressions
6418
6419 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6420 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6421 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6422 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6423 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6424
6425 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6426 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6427
6428 @example
6429 @{
6430     symbol x, y;
6431     symtab table;
6432     table["x"] = x;
6433     table["y"] = y;
6434     parser reader(table);
6435     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6436 @}
6437 @end example
6438
6439 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6440 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6441 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6442 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6443 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6444 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6445
6446 @example
6447 @{
6448     symbol x, y;
6449     symtab table;
6450     table["x"] = x+log(y)+1;
6451     parser reader(table);
6452     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6453     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 + (x+log(y)+1)^2
6454 @}
6455 @end example
6456
6457 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6458 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6459 with @code{get_syms()} method:
6460
6461 @example
6462 @{
6463     parser reader;
6464     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6465     symtab table = reader.get_syms();
6466     symbol x = reader["x"];
6467     symbol y = reader["y"];
6468 @}
6469 @end example
6470
6471 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6472 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6473
6474 @example
6475 @{
6476         symtab table;
6477         table["x"] = symbol();
6478         parser reader(table);
6479         parser.strict = true;
6480         ex e;
6481         try @{
6482                 e = reader("2*x+sin(y)");
6483         @} catch (parse_error& err) @{
6484                 cerr << err.what() << endl;
6485                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6486         @}
6487 @}
6488 @end example
6489
6490 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6491
6492 @example
6493 #include <iostream>
6494 #include <string>
6495 #include <stdexcept>
6496 #include <ginac/ginac.h>
6497 using namespace std;
6498 using namespace GiNaC;
6499
6500 int main()
6501 @{
6502         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6503         parser reader;
6504
6505         try @{
6506                 ex e = reader(cin);
6507                 symtab table = reader.get_syms();
6508                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6509                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6510                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6511                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6512         @} catch (exception &p) @{
6513                 cerr << p.what() << endl;
6514         @}
6515 @}
6516 @end example
6517
6518 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6519 @cindex compiling expressions
6520
6521 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6522 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6523 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6524 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6525 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6526 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6527 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6528 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6529 the numerical evaluation into different execution stages.
6530
6531 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6532 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6533 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6534 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6535 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6536 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6537
6538 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6539
6540 @example
6541     // ...
6542     symbol x("x");
6543     ex myexpr = sin(x) / x;
6544
6545     FUNCP_1P fp;
6546     compile_ex(myexpr, x, fp);
6547
6548     cout << fp(3.2) << endl;
6549     // ...
6550 @end example
6551
6552 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6553 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6554 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6555 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6556
6557 @cindex FUNCP_1P
6558 @cindex FUNCP_2P
6559 @cindex FUNCP_CUBA
6560 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6561 pointer types at the moment:
6562
6563 @example
6564     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6565     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6566     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6567 @end example
6568
6569 @cindex CUBA library
6570 @cindex Monte Carlo integration
6571 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6572 the correct type to be used with the CUBA library
6573 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6574 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6575
6576 @cindex compile_ex
6577 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6578
6579 @example
6580     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6581                     const std::string filename = "");
6582     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6583                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6584     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6585                     const std::string filename = "");
6586 @end example
6587
6588 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6589 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6590 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6591 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6592 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6593 deleted.
6594
6595 @cindex link_ex
6596 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6597 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6598 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6599 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6600 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6601 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6602 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6603
6604 @example
6605     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6606     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6607     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6608 @end example
6609
6610 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6611 to be supplied.
6612
6613 The function
6614
6615 @cindex unlink_ex
6616 @example
6617     void unlink_ex(const std::string filename);
6618 @end example
6619
6620 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6621 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6622 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6623 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6624
6625 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6626 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6627 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6628 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6629 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6630 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6631 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6632 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6633
6634 @cindex ginac-excompiler
6635 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6636 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6637 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6638 directory.
6639
6640 @subsection Archiving
6641 @cindex @code{archive} (class)
6642 @cindex archiving
6643
6644 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6645 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6646 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6647 expression a unique name:
6648
6649 @example
6650 #include <fstream>
6651 using namespace std;
6652 #include <ginac/ginac.h>
6653 using namespace GiNaC;
6654
6655 int main()
6656 @{
6657     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6658
6659     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6660     ex bar = foo + 1;
6661
6662     archive a;
6663     a.archive_ex(foo, "foo");
6664     a.archive_ex(bar, "the second one");
6665     // ...
6666 @end example
6667
6668 The archive can then be written to a file:
6669
6670 @example
6671     // ...
6672     ofstream out("foobar.gar");
6673     out << a;
6674     out.close();
6675     // ...
6676 @end example
6677
6678 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6679 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6680
6681 @cindex @command{viewgar}
6682 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6683 the contents of GiNaC archive files:
6684
6685 @example
6686 $ viewgar foobar.gar
6687 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6688 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6689 @end example
6690
6691 The point of writing archive files is of course that they can later be
6692 read in again:
6693
6694 @example
6695     // ...
6696     archive a2;
6697     ifstream in("foobar.gar");
6698     in >> a2;
6699     // ...
6700 @end example
6701
6702 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6703
6704 @example
6705     // ...
6706     lst syms;
6707     syms = x, y;
6708
6709     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6710     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6711
6712     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6713     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6714     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6715 @}
6716 @end example
6717
6718 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6719 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6720 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6721 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6722 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6723 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6724 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6725 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6726
6727 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6728 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6729 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6730 functions that let you access the stored properties:
6731
6732 @example
6733 static void my_print2(const archive_node & n)
6734 @{
6735     string class_name;
6736     n.find_string("class", class_name);
6737     cout << class_name << "(";
6738
6739     archive_node::propinfovector p;
6740     n.get_properties(p);
6741
6742     size_t num = p.size();
6743     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6744         const string &name = p[i].name;
6745         if (name == "class")
6746             continue;
6747         cout << name << "=";
6748
6749         unsigned count = p[i].count;
6750         if (count > 1)
6751             cout << "@{";
6752
6753         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6754             switch (p[i].type) @{
6755                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6756                     bool x;
6757                     n.find_bool(name, x, j);
6758                     cout << (x ? "true" : "false");
6759                     break;
6760                 @}
6761                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6762                     unsigned x;
6763                     n.find_unsigned(name, x, j);
6764                     cout << x;
6765                     break;
6766                 @}
6767                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6768                     string x;
6769                     n.find_string(name, x, j);
6770                     cout << '\"' << x << '\"';
6771                     break;
6772                 @}
6773                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6774                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6775                     my_print2(x);
6776                     break;
6777                 @}
6778             @}
6779
6780             if (j != count-1)
6781                 cout << ",";
6782         @}
6783
6784         if (count > 1)
6785             cout << "@}";
6786
6787         if (i != num-1)
6788             cout << ",";
6789     @}
6790
6791     cout << ")";
6792 @}
6793
6794 int main()
6795 @{
6796     ex e = pow(2, x) - y;
6797     archive ar(e, "e");
6798     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6799     return 0;
6800 @}
6801 @end example
6802
6803 This will produce:
6804
6805 @example
6806 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6807 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6808 overall_coeff=numeric(number="0"))
6809 @end example
6810
6811 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6812 class may change between GiNaC versions.
6813
6814
6815 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6816 @c    node-name, next, previous, up
6817 @chapter Extending GiNaC
6818
6819 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6820 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6821 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6822 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6823 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6824 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6825
6826 @menu
6827 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6828 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6829 * Printing::                         Adding new output formats.
6830 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6831 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6832 @end menu
6833
6834
6835 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6836 @c    node-name, next, previous, up
6837 @section What doesn't belong into GiNaC
6838
6839 @cindex @command{ginsh}
6840 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6841 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6842 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6843 language.  There are no loops or conditional expressions in
6844 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6845 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6846 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6847 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6848 the future.
6849
6850 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6851 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6852 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6853 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6854 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6855 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6856 provided by CLN are much better suited.
6857
6858
6859 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6860 @c    node-name, next, previous, up
6861 @section Symbolic functions
6862
6863 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6864 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6865 two preprocessor macros:
6866
6867 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6868 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6869 @example
6870 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6871 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6872 @end example
6873
6874 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6875 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6876 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6877 @code{function} object that represents your function.
6878
6879 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6880 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6881 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6882 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6883 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6884 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6885 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6886 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6887
6888 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6889 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6890 done our best to avoid macros where we can.)
6891
6892 @subsection A minimal example
6893
6894 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6895 that is not further evaluated:
6896
6897 @example
6898 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6899
6900 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6901 @end example
6902
6903 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6904 in algebraic expressions:
6905
6906 @example
6907 @{
6908     ...
6909     symbol x("x");
6910     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6911     cout << e << endl;
6912      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6913     ...
6914 @}
6915 @end example
6916
6917 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6918 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6919 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6920 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6921
6922 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6923 example of how to make an "intelligent" function.
6924
6925 @subsection The cosine function
6926
6927 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6928
6929 @example
6930 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6931 @end example
6932
6933 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6934 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6935 this function in expressions.
6936
6937 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6938 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6939
6940 @example
6941 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6942                        evalf_func(cos_evalf).
6943                        derivative_func(cos_deriv).
6944                        latex_name("\\cos"));
6945 @end example
6946
6947 There are four options defined for the cosine function. One of them
6948 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6949 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6950 function are defined.
6951
6952 @cindex @code{hold()}
6953 @cindex evaluation
6954 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6955 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6956 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6957 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6958 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6959 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6960 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6961 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6962 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6963 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6964 somewhere.
6965
6966 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6967 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6968 what is going on):
6969
6970 @example
6971 static ex cos_eval(const ex & x)
6972 @{
6973     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6974         return 1;
6975     else if ("x is a multiple of Pi")
6976         return -1;
6977     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6978         return 0;
6979     // more rules...
6980
6981     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6982         return y;
6983     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6984         return sqrt(1-y^2);
6985     // more rules...
6986
6987     else
6988         return cos(x).hold();
6989 @}
6990 @end example
6991
6992 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6993
6994 @example
6995 @{
6996     ...
6997     e = cos(Pi);
6998      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6999      // the actual expression
7000     cout << e << endl;
7001      // prints '-1'
7002     ...
7003 @}
7004 @end example
7005
7006 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7007 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7008 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7009 with @code{.hold()}.
7010
7011 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7012 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7013 different function:
7014
7015 @example
7016 static ex cos_evalf(const ex & x)
7017 @{
7018     if (is_a<numeric>(x))
7019         return cos(ex_to<numeric>(x));
7020     else
7021         return cos(x).hold();
7022 @}
7023 @end example
7024
7025 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7026 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7027 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7028 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7029 function would require it in this place.
7030
7031 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7032 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7033 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7034 @code{ex::diff}):
7035
7036 @example
7037 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7038 @{
7039     return -sin(x);
7040 @}
7041 @end example
7042
7043 @cindex product rule
7044 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7045 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7046 case the function has more than one parameter, and its main application
7047 is for correct handling of the chain rule.
7048
7049 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7050 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7051 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7052 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7053
7054 @example
7055 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7056                      int order, unsigned options)
7057 @{
7058     // Find the actual expansion point
7059     const ex x_pt = x.subs(rel);
7060
7061     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7062         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7063
7064     // On a pole, expand sin()/cos()
7065     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7066 @}
7067 @end example
7068
7069 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7070 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7071
7072 @subsection Function options
7073
7074 GiNaC functions understand several more options which are always
7075 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7076 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7077 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7078 functions without any special options.
7079
7080 @example
7081 eval_func(<C++ function>)
7082 evalf_func(<C++ function>)
7083 derivative_func(<C++ function>)
7084 series_func(<C++ function>)
7085 conjugate_func(<C++ function>)
7086 @end example
7087
7088 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7089 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
7090 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
7091 @code{diff()} and @code{series()}.
7092
7093 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7094 automatic evaluation is desired or possible.
7095
7096 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7097 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7098 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7099 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7100 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7101 suitable transformation.
7102
7103 @example
7104 latex_name(const string & n)
7105 @end example
7106
7107 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7108 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7109
7110 @example
7111 do_not_evalf_params()
7112 @end example
7113
7114 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7115 function before calling the @code{evalf_func()}.
7116
7117 @example
7118 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7119 @end example
7120
7121 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7122 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7123 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7124 @code{return_type_t} created like
7125
7126 @example
7127 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7128 @end example
7129
7130 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7131 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7132 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7133 @code{make_return_type_t<>()} 
7134
7135 @example
7136 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7137 @end example
7138
7139 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7140 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7141 details).
7142
7143 @example
7144 set_symmetry(const symmetry & s)
7145 @end example
7146
7147 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7148 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7149 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7150 symmetric functions into a canonical order.
7151
7152 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7153 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7154 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7155 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7156 with the
7157
7158 @example
7159 print_func<C>(<C++ function>)
7160 @end example
7161
7162 option which is explained in the next section.
7163
7164 @subsection Functions with a variable number of arguments
7165
7166 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7167 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7168 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7169 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7170 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7171
7172 It is also possible to define functions that accept a different number of
7173 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7174 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7175 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7176 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7177 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7178 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7179 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7180 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7181
7182
7183 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7184 @c    node-name, next, previous, up
7185 @section GiNaC's expression output system
7186
7187 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7188 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7189 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7190 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7191 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7192 functions.
7193
7194 @cindex @code{print_context} (class)
7195 @cindex @code{print_dflt} (class)
7196 @cindex @code{print_latex} (class)
7197 @cindex @code{print_tree} (class)
7198 @cindex @code{print_csrc} (class)
7199 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7200 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7201 header file:
7202
7203 @table @code
7204 @item print_dflt
7205 the default output format
7206 @item print_latex
7207 output in LaTeX mathematical mode
7208 @item print_tree
7209 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7210 @item print_csrc
7211 the base class for C source output
7212 @item print_csrc_float
7213 C source output using the @code{float} type
7214 @item print_csrc_double
7215 C source output using the @code{double} type
7216 @item print_csrc_cl_N
7217 C source output using CLN types
7218 @end table
7219
7220 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7221
7222 @example
7223 class print_context
7224 @{
7225     ...
7226 public:
7227     std::ostream & s;
7228     unsigned options;
7229 @};
7230 @end example
7231
7232 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7233 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7234 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7235 to print the index dimension which is normally hidden.
7236
7237 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7238 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7239 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7240 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7241
7242 @cindex @code{print()}
7243 @example
7244 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7245 @end example
7246
7247 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7248 top-level algebraic object contained in the expression.
7249
7250 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7251 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7252 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7253 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7254 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7255 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7256 (single) virtual function dispatch.
7257
7258 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7259 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7260 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7261 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7262 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7263 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7264 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7265 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7266 object's class name enclosed in square brackets).
7267
7268 You can think of the print methods of all the different classes and output
7269 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7270 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7271 classes.
7272
7273 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7274 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7275 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7276 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7277 methods at run-time).
7278
7279 @subsection Print methods for classes
7280
7281 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7282 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7283 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7284 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7285 can also be used to override existing methods dynamically.
7286
7287 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7288 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7289 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7290 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7291 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7292 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7293 the class is the one being implemented by
7294 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7295
7296 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7297 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7298 @code{unsigned}.
7299
7300 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7301 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7302 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7303 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7304 private and protected members of @code{T}.
7305
7306 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7307 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7308 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7309 purposes if you write your own output formats.
7310
7311 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7312 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7313 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7314 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7315
7316 @example
7317 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7318                              const print_latex & c,
7319                              unsigned level)
7320 @{
7321     // get the precedence of the 'power' class
7322     unsigned power_prec = p.precedence();
7323
7324     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7325     // we need parentheses around the power
7326     if (level >= power_prec)
7327         c.s << '(';
7328
7329     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7330     // separated by an uparrow
7331     c.s << '@{';
7332     p.op(0).print(c, power_prec);
7333     c.s << "@}\\uparrow@{";
7334     p.op(1).print(c, power_prec);
7335     c.s << '@}';
7336
7337     // don't forget the closing parenthesis
7338     if (level >= power_prec)
7339         c.s << ')';
7340 @}
7341                                                                                 
7342 int main()
7343 @{
7344     // a sample expression
7345     symbol x("x"), y("y");
7346     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7347
7348     // switch to LaTeX mode
7349     cout << latex;
7350
7351     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7352     cout << e << endl;
7353
7354     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7355     // our own one
7356     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7357
7358     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7359     //              \uparrow@{2@}@}"
7360     cout << e << endl;
7361 @}
7362 @end example
7363
7364 Some notes:
7365
7366 @itemize
7367
7368 @item
7369 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7370 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7371
7372 @item
7373 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7374 @code{power} objects for the purpose of printing.
7375
7376 @item
7377 The output of products including negative powers as fractions is also
7378 controlled by the @code{mul} class.
7379
7380 @item
7381 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7382 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7383
7384 @end itemize
7385
7386 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7387 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7388 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7389 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7390 sources, find the method that is installed at startup
7391 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7392 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7393
7394 @subsection Print methods for functions
7395
7396 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7397 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7398 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7399 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7400 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7401
7402 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7403
7404 @example
7405 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7406 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7407                                                                                 
7408 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7409 @{
7410     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7411 @}
7412                                                                                 
7413 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7414 @{
7415     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7416 @}
7417                                                                                 
7418 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7419                        evalf_func(abs_evalf).
7420                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7421                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7422                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7423 @end example
7424
7425 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7426 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7427
7428 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7429
7430 @subsection Adding new output formats
7431
7432 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7433 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7434 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7435 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7436 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7437 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7438 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7439 options value.
7440
7441 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7442
7443 @example
7444 class print_myformat : public print_dflt
7445 @{
7446     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7447 public:
7448     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7449      : print_dflt(os, opt) @{@}
7450 @};
7451
7452 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7453
7454 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7455 @end example
7456
7457 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7458 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7459 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7460 format are implemented as print methods, as described above.
7461
7462 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7463 exactly like GiNaC's default output format:
7464
7465 @example
7466 @{
7467     symbol x("x");
7468     ex e = pow(x, 2) + 1;
7469
7470     // this prints "1+x^2"
7471     cout << e << endl;
7472     
7473     // this also prints "1+x^2"
7474     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7475
7476     ...
7477 @}
7478 @end example
7479
7480 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7481 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7482
7483 @example
7484 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7485 // example above for explanations.
7486 void print_power_as_myformat(const power & p,
7487                              const print_myformat & c,
7488                              unsigned level)
7489 @{
7490     unsigned power_prec = p.precedence();
7491     if (level >= power_prec)
7492         c.s << '(';
7493     p.op(0).print(c, power_prec);
7494     c.s << "**";
7495     p.op(1).print(c, power_prec);
7496     if (level >= power_prec)
7497         c.s << ')';
7498 @}
7499
7500 @{
7501     ...
7502     // install a new print method for power objects
7503     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7504
7505     // now this prints "1+x**2"
7506     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7507
7508     // but the default format is still "1+x^2"
7509     cout << e << endl;
7510 @}
7511 @end example
7512
7513
7514 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7515 @c    node-name, next, previous, up
7516 @section Structures
7517
7518 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7519 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7520 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7521 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7522 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7523
7524 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7525 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7526 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7527 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7528 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7529 read both sections because many common concepts and member functions are
7530 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7531 is most suited to your needs.
7532
7533 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7534 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7535 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7536
7537 @subsection Example: scalar products
7538
7539 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7540 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7541 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7542 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7543 product in a C++ @code{struct}:
7544
7545 @example
7546 #include <iostream>
7547 using namespace std;
7548
7549 #include <ginac/ginac.h>
7550 using namespace GiNaC;
7551
7552 struct sprod_s @{
7553     ex left, right;
7554
7555     sprod_s() @{@}
7556     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7557 @};
7558 @end example
7559
7560 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7561 data structure, we need only one line:
7562
7563 @example
7564 typedef structure<sprod_s> sprod;
7565 @end example
7566
7567 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7568 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7569 expressions like any other GiNaC class:
7570
7571 @example
7572 ...
7573     symbol a("a"), b("b");
7574     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7575 ...
7576 @end example
7577
7578 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7579 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7580 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7581 constructed from an @code{sprod_s} object.
7582
7583 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7584 you could define a little wrapper function like this:
7585
7586 @example
7587 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7588 @{
7589     return sprod(sprod_s(left, right));
7590 @}
7591 @end example
7592
7593 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7594 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7595 @code{get_struct()}:
7596
7597 @example
7598 ...
7599     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7600      // -> a
7601     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7602      // -> b
7603 ...
7604 @end example
7605
7606 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7607
7608 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7609 that deal with scalar products, for example:
7610
7611 @example
7612 ex swap_sprod(ex p)
7613 @{
7614     if (is_a<sprod>(p)) @{
7615         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7616         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7617     @} else
7618         return p;
7619 @}
7620
7621 ...
7622     f = swap_sprod(e);
7623      // f is now <b|a>
7624 ...
7625 @end example
7626
7627 @subsection Structure output
7628
7629 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7630 desired, most notably proper output:
7631
7632 @example
7633 ...
7634     cout << e << endl;
7635      // -> [structure object]
7636 ...
7637 @end example
7638
7639 By default, any structure types you define will be printed as
7640 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7641 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7642 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7643 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7644 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7645 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7646
7647 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7648 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7649
7650 @example
7651 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7652 @{
7653     // tree debug output handled by superclass
7654     if (is_a<print_tree>(c))
7655         inherited::print(c, level);
7656
7657     // get the contained sprod_s object
7658     const sprod_s & sp = get_struct();
7659
7660     // print_context::s is a reference to an ostream
7661     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7662 @}
7663 @end example
7664
7665 Now we can print expressions containing scalar products:
7666
7667 @example
7668 ...
7669     cout << e << endl;
7670      // -> <a|b>
7671     cout << swap_sprod(e) << endl;
7672      // -> <b|a>
7673 ...
7674 @end example
7675
7676 @subsection Comparing structures
7677
7678 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7679 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7680 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7681 and undesired behavior:
7682
7683 @example
7684 ...
7685     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7686      // -> 0
7687     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7688      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7689 ...
7690 @end example
7691
7692 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7693 for objects of type @code{sprod_s}:
7694
7695 @example
7696 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7697 @{
7698     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7699 @}
7700
7701 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7702 @{
7703     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7704            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7705 @}
7706 @end example
7707
7708 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7709 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7710 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7711 in the implementation of these operators because they would construct
7712 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7713 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7714 decide which one is algebraically 'less').
7715
7716 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7717 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7718
7719 @example
7720 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7721 @end example
7722
7723 @code{sprod} objects then behave as expected:
7724
7725 @example
7726 ...
7727     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7728      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7729     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7730      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7731     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7732      // -> 0
7733     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7734      // -> 2*<a|b>
7735 ...
7736 @end example
7737
7738 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7739 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7740 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7741 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7742 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7743 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7744
7745 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7746 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7747 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7748 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7749 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7750 undefined value) that the @code{T} class might have.
7751
7752 @subsection Subexpressions
7753
7754 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7755 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7756 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7757
7758 @example
7759 size_t sprod::nops() const
7760 @{
7761     return 2;
7762 @}
7763
7764 ex sprod::op(size_t i) const
7765 @{
7766     switch (i) @{
7767     case 0:
7768         return get_struct().left;
7769     case 1:
7770         return get_struct().right;
7771     default:
7772         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7773     @}
7774 @}
7775 @end example
7776
7777 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7778 @code{sprod} has two other nice side effects:
7779
7780 @itemize @bullet
7781 @item
7782 @code{has()} works as expected
7783 @item
7784 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7785 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7786 @end itemize
7787
7788 @cindex @code{let_op()}
7789 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7790 allows replacing subexpressions:
7791
7792 @example
7793 ex & sprod::let_op(size_t i)
7794 @{
7795     // every non-const member function must call this
7796     ensure_if_modifiable();
7797
7798     switch (i) @{
7799     case 0:
7800         return get_struct().left;
7801     case 1:
7802         return get_struct().right;
7803     default:
7804         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7805     @}
7806 @}
7807 @end example
7808
7809 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7810 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7811 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7812 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7813
7814 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7815 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7816 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7817 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7818 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7819 This is left as an exercise for the reader.
7820
7821 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7822 you can override by specialization to customize the behavior of your
7823 structures. You are referred to the next section for a description of
7824 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7825 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7826 @code{structure<T>} template: archiving.
7827
7828 @subsection Archiving structures
7829
7830 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7831 should first read the next section and then come back here. You're back?
7832 Good.
7833
7834 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7835 specializations for the @code{archive()} member function and the
7836 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7837 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7838 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7839 the class of an object is stored as a string, the class name.
7840
7841 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7842 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7843 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7844 need to provide a different name for each by specializing the
7845 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7846 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7847
7848 @example
7849 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7850
7851 void sprod::archive(archive_node & n) const
7852 @{
7853     inherited::archive(n);
7854     n.add_ex("left", get_struct().left);
7855     n.add_ex("right", get_struct().right);
7856 @}
7857
7858 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7859 @{
7860     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7861     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7862 @}
7863 @end example
7864
7865 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7866 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7867 @code{sprod::unarchive()} function.
7868
7869
7870 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7871 @c    node-name, next, previous, up
7872 @section Adding classes
7873
7874 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7875 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7876 severe of which being that you can't add any new member functions to
7877 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7878 from scratch.
7879
7880 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7881 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7882 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7883 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7884 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7885 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7886 representing tensor products is more involved but this section should give
7887 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7888 classes if you want to implement something more complicated.
7889
7890 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7891
7892 @cindex hierarchy of classes
7893 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7894 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7895 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
7896 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
7897 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
7898 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
7899 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
7900 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
7901 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
7902 in @file{registrar.h}):
7903 @itemize @bullet
7904 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
7905 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7906 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
7907 @end itemize
7908
7909 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
7910 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
7911 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
7912 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
7913 the opening brace of the class definition.
7914
7915 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
7916 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
7917 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
7918 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
7919 the source (at global scope, of course, not inside a function).
7920
7921 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
7922 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
7923 options, such as custom printing functions.
7924
7925 @subsection A minimalistic example
7926
7927 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7928 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7929 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7930 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7931 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
7932 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
7933
7934 The code snippets given here assume that you have included some header files
7935 as follows:
7936
7937 @example
7938 #include <iostream>
7939 #include <string>   
7940 #include <stdexcept>
7941 using namespace std;
7942
7943 #include <ginac/ginac.h>
7944 using namespace GiNaC;
7945 @end example
7946
7947 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7948 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7949 object from a string:
7950
7951 @example
7952 class mystring : public basic
7953 @{
7954     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7955   
7956 public:
7957     mystring(const string & s);
7958
7959 private:
7960     string str;
7961 @};
7962
7963 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7964 @end example
7965
7966 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
7967 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
7968 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
7969 of a class so that printing and (un)archiving works.
7970
7971 Now there are three member functions we have to implement to get a working
7972 class:
7973
7974 @itemize
7975
7976 @item
7977 @code{mystring()}, the default constructor.
7978
7979 @item
7980 @cindex @code{compare_same_type()}
7981 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
7982 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7983 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7984 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7985 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7986 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7987 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7988 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7989 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7990 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7991 defined.
7992
7993 @item
7994 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
7995 we declared.
7996
7997 @end itemize
7998
7999 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8000
8001 @example
8002 mystring::mystring() @{ @}
8003 @end example
8004
8005 In the default constructor you should set all other member variables to
8006 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8007 member gets set to an empty string automatically).
8008
8009 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8010 the string members:
8011
8012 @example
8013 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8014 @{
8015     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8016     int cmpval = str.compare(o.str);
8017     if (cmpval == 0)
8018         return 0;
8019     else if (cmpval < 0)
8020         return -1;
8021     else
8022         return 1;
8023 @}
8024 @end example
8025
8026 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8027 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8028 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8029 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8030 all relevant member variables.
8031
8032 Now the only thing missing is our constructor:
8033
8034 @example
8035 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8036 @end example
8037
8038 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8039
8040 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8041 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8042
8043 @example
8044 ex e = mystring("Hello, world!");
8045 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8046  // -> 1 (true)
8047
8048 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8049  // -> mystring
8050 @end example
8051
8052 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8053
8054 @example
8055 cout << e << endl;
8056  // -> [mystring object]
8057 @end example
8058
8059 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8060 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8061 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8062 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8063 surrounded by double quotes:
8064
8065 @example
8066 class mystring : public basic
8067 @{
8068     ...
8069 protected:
8070     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8071     ...
8072 @};
8073
8074 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8075 @{
8076     // print_context::s is a reference to an ostream
8077     c.s << '\"' << str << '\"';
8078 @}
8079 @end example
8080
8081 The @code{level} argument is only required for container classes to
8082 correctly parenthesize the output.
8083
8084 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8085 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8086 replace the line
8087
8088 @example
8089 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8090 @end example
8091
8092 with
8093
8094 @example
8095 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8096   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8097 @end example
8098
8099 Let's try again to print the expression:
8100
8101 @example
8102 cout << e << endl;
8103  // -> "Hello, world!"
8104 @end example
8105
8106 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8107 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8108 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8109 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8110 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8111 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8112 way expression output is implemented in GiNaC.
8113
8114 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8115
8116 @example
8117 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8118 cout << e << endl;
8119  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8120 @end example
8121
8122 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8123
8124 @example
8125 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8126 cout << e << endl;
8127  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8128 @end example
8129
8130 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8131 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8132 for your objects.
8133
8134 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8135
8136 @example
8137 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8138 cout << e << endl;
8139  // -> "Wow"^2
8140
8141 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8142 cout << e.expand() << endl;
8143  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8144 @end example
8145
8146 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8147 concatenation. You would have to implement this yourself.
8148
8149 @subsection Automatic evaluation
8150
8151 @cindex evaluation
8152 @cindex @code{eval()}
8153 @cindex @code{hold()}
8154 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8155 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8156 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8157 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8158 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8159 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8160
8161 @example
8162 class mystring : public basic
8163 @{
8164     ...
8165 public:
8166     ex eval(int level = 0) const;
8167     ...
8168 @};
8169
8170 ex mystring::eval(int level) const
8171 @{
8172     string new_str;
8173     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8174         char c = str[i];
8175         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8176             new_str += tolower(c);
8177         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8178             new_str += c;
8179     @}
8180
8181     if (new_str.length() == 0)
8182         return 0;
8183     else
8184         return mystring(new_str).hold();
8185 @}
8186 @end example
8187
8188 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8189 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8190 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8191 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8192 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8193 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8194 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8195 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8196
8197 Let's confirm that it works:
8198
8199 @example
8200 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8201 cout << e << endl;
8202  // -> "helloworld"
8203
8204 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8205 cout << e << endl;
8206  // -> 3*"wow"
8207 @end example
8208
8209 @subsection Optional member functions
8210
8211 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8212 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8213 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8214
8215 @cindex @code{calchash()}
8216 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8217 @example
8218 unsigned calchash() const;
8219 bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
8220 @end example
8221
8222 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8223 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8224 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8225 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8226 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8227 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8228
8229 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8230 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8231 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8232 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8233
8234 @subsection Other member functions
8235
8236 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8237 might want to provide:
8238
8239 @example
8240 bool info(unsigned inf) const;
8241 ex evalf(int level = 0) const;
8242 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8243 ex derivative(const symbol & s) const;
8244 @end example
8245
8246 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8247 previous section) you will probably want to override
8248
8249 @cindex @code{let_op()}
8250 @example
8251 size_t nops() cont;
8252 ex op(size_t i) const;
8253 ex & let_op(size_t i);
8254 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8255 ex map(map_function & f) const;
8256 @end example
8257
8258 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8259 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8260 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8261
8262 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8263 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8264 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8265 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8266 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8267 should become a need.
8268
8269 That's it. May the source be with you!
8270
8271 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8272
8273 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8274 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8275 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8276
8277 @example
8278 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8279 @end example
8280
8281 needs to be rewritten as
8282
8283 @example
8284 myclass::myclass() @{@}
8285 @end example
8286
8287 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8288 @c    node-name, next, previous, up
8289 @chapter A Comparison With Other CAS
8290 @cindex advocacy
8291
8292 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8293 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8294 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8295 disadvantages over these systems.
8296
8297 @menu
8298 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8299 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8300 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8301 @end menu
8302
8303 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8304 @c    node-name, next, previous, up
8305 @section Advantages
8306
8307 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8308 Algebra Systems, like 
8309
8310 @itemize @bullet
8311
8312 @item
8313 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8314 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8315 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8316 in common C++, which is standardized.
8317
8318 @cindex STL
8319 @item
8320 structured data types: you can build up structured data types using
8321 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8322 using unnamed lists of lists of lists.
8323
8324 @item
8325 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8326 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8327 nice for novice programmers, but dangerous.
8328     
8329 @item
8330 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8331 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8332 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8333
8334 @item
8335 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8336 separating interface and implementation.
8337
8338 @item
8339 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8340 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8341 C++-compilers for free, too.
8342     
8343 @item
8344 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8345 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8346 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8347 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8348 fix bugs in a traditional system.
8349
8350 @item
8351 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8352 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8353 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8354 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8355 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8356 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8357 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8358 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8359 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8360 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8361 FTP-site.
8362
8363 @item
8364 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8365 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8366 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8367 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8368 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8369 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8370 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8371 system (i.e. @emph{Yacas}).
8372
8373 @item
8374 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8375 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8376 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8377 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8378 speed with other CAS.
8379
8380 @end itemize
8381
8382
8383 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8384 @c    node-name, next, previous, up
8385 @section Disadvantages
8386
8387 Of course it also has some disadvantages:
8388
8389 @itemize @bullet
8390
8391 @item
8392 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8393 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8394 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8395 respect to mathematical features.  Integration, 
8396 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8397 not planned for the near future).
8398
8399 @item
8400 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8401 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8402 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8403 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8404 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8405 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8406 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8407 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8408 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8409 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8410 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8411 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8412 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8413 yet ANSI compliant, support all needed features.
8414     
8415 @end itemize
8416
8417
8418 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8419 @c    node-name, next, previous, up
8420 @section Why C++?
8421
8422 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8423 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8424 possible), separation between interface and implementation is not
8425 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8426 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8427 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8428 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8429 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8430 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8431 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8432 any other programming language.
8433
8434
8435 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8436 @c    node-name, next, previous, up
8437 @appendix Internal structures
8438
8439 @menu
8440 * Expressions are reference counted::
8441 * Internal representation of products and sums::
8442 @end menu
8443
8444 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8445 @c    node-name, next, previous, up
8446 @appendixsection Expressions are reference counted
8447
8448 @cindex reference counting
8449 @cindex copy-on-write
8450 @cindex garbage collection
8451 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8452 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8453 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8454 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8455 skip the rest of this passage.
8456
8457 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8458 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8459 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8460 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8461 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8462 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8463 of code:
8464
8465 @example
8466 #include <iostream>
8467 #include <ginac/ginac.h>
8468 using namespace std;
8469 using namespace GiNaC;
8470
8471 int main()
8472 @{
8473     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8474     ex e1, e2;
8475
8476     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8477     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8478     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8479     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8480     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8481 @}
8482 @end example
8483
8484 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8485 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8486 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8487 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8488 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8489 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8490 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8491 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8492 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8493 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8494 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8495 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8496 can be:
8497
8498 @example
8499 @{
8500     symbol x("x"), y("y");
8501
8502     ex e1 = x + 3*y;
8503     ex e2 = pow(e1, 3);
8504     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8505     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8506          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8507          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8508 @}
8509 @end example
8510
8511 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8512 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8513 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8514 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8515 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8516 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8517 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8518 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8519 @code{3*e1^2}.
8520
8521 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8522 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8523 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8524 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8525 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8526 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8527 semantics, we recommend you have a look at the
8528 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8529 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8530 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8531
8532
8533 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8534 @c    node-name, next, previous, up
8535 @appendixsection Internal representation of products and sums
8536
8537 @cindex representation
8538 @cindex @code{add}
8539 @cindex @code{mul}
8540 @cindex @code{power}
8541 Although it should be completely transparent for the user of
8542 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8543 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8544 unexpanded symbolic expression 
8545 @tex
8546 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8547 @end tex
8548 @ifnottex
8549 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8550 @end ifnottex
8551 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8552 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8553 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8554 fashion:
8555
8556 @ifnotinfo
8557 @image{repnaive}
8558 @end ifnotinfo
8559 @ifinfo
8560 <PICTURE MISSING>
8561 @end ifinfo
8562
8563 @cindex pair-wise representation
8564 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8565 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8566 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8567 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8568 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8569 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8570 becomes much more flat:
8571
8572 @ifnotinfo
8573 @image{reppair}
8574 @end ifnotinfo
8575 @ifinfo
8576 <PICTURE MISSING>
8577 @end ifinfo
8578
8579 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8580 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8581 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8582 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8583 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8584 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8585 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8586 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8587 representation, however, since they are still carrying a trivial
8588 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8589 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8590 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8591 representation for
8592 @tex
8593 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8594 @end tex
8595 @ifnottex
8596 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8597 @end ifnottex
8598
8599 @ifnotinfo
8600 @image{repreal}
8601 @end ifnotinfo
8602 @ifinfo
8603 <PICTURE MISSING>
8604 @end ifinfo
8605
8606 @cindex radical
8607 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8608 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8609 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8610 same abstract class: the data representation is the same, only the
8611 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8612 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8613 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8614
8615
8616 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8617 @c    node-name, next, previous, up
8618 @appendix Package tools
8619
8620 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8621 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8622 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8623 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8624 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8625 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8626 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8627 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8628 @example
8629 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8630 @end example
8631
8632 This command line might expand to (for example):
8633 @example
8634 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8635 @end example
8636
8637 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8638 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8639
8640 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8641 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8642 checking for libraries
8643
8644 @example
8645 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8646                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8647                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8648 @end example
8649
8650 This macro:
8651
8652 @itemize @bullet
8653
8654 @item
8655 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8656 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8657 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8658
8659 @item
8660 Tests the installed libraries to make sure that their version
8661 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8662
8663 @item
8664 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8665 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8666 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8667 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8668 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8669
8670 @item
8671 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8672
8673 @end itemize
8674
8675 @menu
8676 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8677 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8678 @end menu
8679
8680
8681 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8682 @c    node-name, next, previous, up
8683 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8684
8685 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8686 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8687 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8688 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8689 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8690
8691 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8692 system.
8693
8694 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8695 the linkers where to find the library one should
8696
8697 @itemize @bullet
8698 @item
8699 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8700 @example
8701 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8702 # ldconfig
8703 @end example
8704
8705 @item
8706 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8707 @example
8708 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8709 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8710 @end example
8711
8712 @item
8713 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8714 for instance:
8715
8716 @example
8717 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8718 @end example
8719 @end itemize
8720
8721 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8722 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8723 @example
8724 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8725 @end example
8726
8727 Finally, run the @command{configure} script
8728 @example
8729 $ ./configure 
8730 @end example
8731
8732 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8733
8734 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8735 @c    node-name, next, previous, up
8736 @subsection Example of a package using GiNaC
8737
8738 The following shows how to build a simple package using automake
8739 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8740
8741 @example
8742 #include <iostream>
8743 #include <ginac/ginac.h>
8744
8745 int main()
8746 @{
8747     GiNaC::symbol x("x");
8748     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8749     std::cout << "Derivative of " << a 
8750               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8751     return 0;
8752 @}
8753 @end example
8754
8755 You should first read the introductory portions of the automake
8756 Manual, if you are not already familiar with it.
8757
8758 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8759 configure script:
8760
8761 @example
8762 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8763 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8764 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8765 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8766
8767 AC_PROG_CXX
8768 AC_PROG_INSTALL
8769 AC_LANG([C++])
8770
8771 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8772
8773 AC_OUTPUT(Makefile)
8774 @end example
8775
8776 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8777 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8778 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8779 @example
8780 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8781
8782 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8783
8784 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8785 installed software in a non-standard prefix.
8786
8787 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8788 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8789 See the pkg-config man page for more details.
8790 @end example
8791
8792 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8793
8794 @example
8795 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8796 bin_PROGRAMS = simple
8797 simple_SOURCES = simple.cpp
8798 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8799 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8800 @end example
8801
8802 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8803 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8804 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8805 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8806 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8807 basis.
8808
8809 To try this example out, create a new directory and add the three
8810 files above to it.
8811
8812 Now execute the following command:
8813
8814 @example
8815 $ autoreconf -i
8816 @end example
8817
8818 You now have a package that can be built in the normal fashion
8819
8820 @example
8821 $ ./configure
8822 $ make
8823 $ make install
8824 @end example
8825
8826
8827 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8828 @c    node-name, next, previous, up
8829 @appendix Bibliography
8830
8831 @itemize @minus{}
8832
8833 @item
8834 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8835
8836 @item
8837 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8838
8839 @item
8840 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8841
8842 @item
8843 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8844
8845 @item
8846 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8847 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8848
8849 @item
8850 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8851 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8852 Academic Press, London
8853
8854 @item
8855 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8856 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8857
8858 @item
8859 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8860 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8861
8862 @item
8863 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8864 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8865
8866 @item
8867 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8868
8869 @end itemize
8870
8871
8872 @node Concept index, , Bibliography, Top
8873 @c    node-name, next, previous, up
8874 @unnumbered Concept index
8875
8876 @printindex cp
8877
8878 @bye