]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
- Added method matrix::rank().
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2004 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{} 1999-2004 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., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, 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 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
689 @end menu
690
691
692 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
693 @c    node-name, next, previous, up
694 @section Expressions
695 @cindex expression (class @code{ex})
696 @cindex @code{has()}
697
698 The most common class of objects a user deals with is the expression
699 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
700 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
701 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
702 little collection of valid expressions:
703
704 @example
705 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
706 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
707 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
708 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
709 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
710 @end example
711
712 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
713 contain other expressions thus creating a tree of expressions
714 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
715 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
716 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
717 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
718 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
719 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
720
721 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
722 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
723 @code{ex}.
724
725 @subsection Note: Expressions and STL containers
726
727 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
728 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
729 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
730 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
731
732 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
733 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
734 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
735 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
736 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
737
738 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
739 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
740
741 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
742 expressions.
743
744
745 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
746 @c    node-name, next, previous, up
747 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
748 @cindex evaluation
749
750 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
751 them and put them into a canonical form. Some examples:
752
753 @example
754 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
755 ex MyEx2 = x - x;        // 0
756 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
757 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
758 @end example
759
760 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
761 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
762
763 @itemize @bullet
764 @item
765 at most of complexity
766 @tex
767 $O(n\log n)$
768 @end tex
769 @ifnottex
770 @math{O(n log n)}
771 @end ifnottex
772 @item
773 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
774 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
775 @end itemize
776
777 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
778 behave in an entirely obvious way at first glance:
779
780 @itemize
781 @item
782 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
783 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
784 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
785 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
786 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
787 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
788 canonical form.
789 @item
790 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
791 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
792 example
793 @example
794 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
795 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
796 @end example
797 @end itemize
798
799 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
800 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
801 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
802 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
803 some immediate simplifications.
804
805 @cindex @code{eval()}
806 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
807
808 @example
809 ex ex::eval(int level = 0) const;
810 ex basic::eval(int level = 0) const;
811 @end example
812
813 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
814 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
815 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
816 re-evaluate their results.
817
818
819 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
820 @c    node-name, next, previous, up
821 @section Error handling
822 @cindex exceptions
823 @cindex @code{pole_error} (class)
824
825 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
826 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
827 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
828 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
829 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
830 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
831 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
832 at a singularity.
833
834 The @code{pole_error} class has a member function
835
836 @example
837 int pole_error::degree() const;
838 @end example
839
840 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
841 logarithmic or the order is undefined).
842
843 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
844 the main program even if you don't want to do any special error handling.
845 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
846 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
847 usually only aborts the program without giving any information what went
848 wrong.
849
850 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
851 exceptions generated by GiNaC:
852
853 @example
854 #include <iostream>
855 #include <stdexcept>
856 #include <ginac/ginac.h>
857 using namespace std;
858 using namespace GiNaC;
859
860 int main()
861 @{
862     try @{
863         ...
864         // code using GiNaC
865         ...
866     @} catch (exception &p) @{
867         cerr << p.what() << endl;
868         return 1;
869     @}
870     return 0;
871 @}
872 @end example
873
874
875 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
876 @c    node-name, next, previous, up
877 @section The Class Hierarchy
878
879 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
880 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
881 helpers) are internally derived from one abstract base class called
882 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
883 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
884 containers of expressions and so on.
885
886 @cindex container
887 @cindex atom
888 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
889 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
890 some of the relations among the classes:
891
892 @image{classhierarchy}
893
894 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
895 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
896 duplication if two or more classes derived from them share certain
897 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
898 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
899 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
900 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
901 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
902 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
903 are stored in the different classes:
904
905 @cartouche
906 @multitable @columnfractions .22 .78
907 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
908 @item @code{constant} @tab Constants like 
909 @tex
910 $\pi$
911 @end tex
912 @ifnottex
913 @math{Pi}
914 @end ifnottex
915 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
916 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
917 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
918 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
919 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
920 @tex
921 $\sqrt{2}$
922 @end tex
923 @ifnottex
924 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
925 @end ifnottex
926 @dots{}
927 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
928 @item @code{function} @tab A symbolic function like
929 @tex
930 $\sin 2x$
931 @end tex
932 @ifnottex
933 @math{sin(2*x)}
934 @end ifnottex
935 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
936 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
937 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
938 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
939 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
940 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
941 @item @code{varidx} @tab Index with variance
942 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
943 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
944 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
945 @end multitable
946 @end cartouche
947
948
949 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
950 @c    node-name, next, previous, up
951 @section Symbols
952 @cindex @code{symbol} (class)
953 @cindex hierarchy of classes
954
955 @cindex atom
956 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
957 manipulation what atoms are for chemistry.
958
959 A typical symbol definition looks like this:
960 @example
961 symbol x("x");
962 @end example
963
964 This definition actually contains three very different things:
965 @itemize
966 @item a C++ variable named @code{x}
967 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
968   represents the symbol in a GiNaC expression
969 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
970   exclusively for printing expressions holding the symbol
971 @end itemize
972
973 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
974 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
975 throws them away during compilation.
976
977 It is possible to omit the symbol name in the definition:
978 @example
979 symbol x;
980 @end example
981
982 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
983 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
984 the output of your calculations will become more readable if you give your
985 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
986 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
987
988 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
989 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
990 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
991 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
992 one and the same symbol in different places in your program, you must only
993 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
994 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
995 indeterminate.
996
997 Observe:
998 @example
999 ex f(int n)
1000 @{
1001     symbol x("x");
1002     return pow(x, n);
1003 @}
1004
1005 int main()
1006 @{
1007     symbol x("x");
1008     ex e = f(6);
1009
1010     cout << e << endl;
1011      // prints "x^6" which looks right, but...
1012
1013     cout << e.degree(x) << endl;
1014      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1015      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1016      // prints "0".
1017 @}
1018 @end example
1019
1020 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1021 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1022 @example
1023 ex f(int n, const ex & x)
1024 @{
1025     return pow(x, n);
1026 @}
1027
1028 int main()
1029 @{
1030     symbol x("x");
1031
1032     // Now, f() uses the same symbol.
1033     ex e = f(6, x);
1034
1035     cout << e.degree(x) << endl;
1036      // prints "6", as expected
1037 @}
1038 @end example
1039
1040 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1041 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1042 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1043 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1044 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1045 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1046 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1047 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1048 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1049 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1050 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1051
1052 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1053 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1054 like this one:
1055 @example
1056 const symbol & get_symbol(const string & s)
1057 @{
1058     static map<string, symbol> directory;
1059     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1060     if (i != directory.end())
1061         return i->second;
1062     else
1063         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1064 @}
1065 @end example
1066
1067 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1068 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1069 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1070 this:
1071 @example
1072 ex f(int n)
1073 @{
1074     return pow(get_symbol("x"), n);
1075 @}
1076
1077 int main()
1078 @{
1079     ex e = f(6);
1080
1081     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1082     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1083      // prints "6"
1084 @}
1085 @end example
1086
1087 Instead of creating symbols from strings we could also have
1088 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1089 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1090 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1091 @code{ostringstream}.
1092
1093 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1094 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1095 definitions.
1096
1097 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1098 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1099 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1100 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1101
1102 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1103 in LaTeX output:
1104 @example
1105 symbol x("x", "\\Box");
1106 @end example
1107
1108 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1109 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1110 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1111 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1112 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1113
1114 @cindex @code{subs()}
1115 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1116 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1117 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1118 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1119 (@pxref{Substituting Expressions}).
1120
1121 @cindex @code{realsymbol()}
1122 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1123 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1124 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1125 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1126 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1127 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1128 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1129 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1130 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1131
1132
1133 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1134 @c    node-name, next, previous, up
1135 @section Numbers
1136 @cindex @code{numeric} (class)
1137
1138 @cindex GMP
1139 @cindex CLN
1140 @cindex rational
1141 @cindex fraction
1142 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1143 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1144 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1145 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1146 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1147 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1148 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1149 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1150 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1151 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1152 several useful things: First, it introduces the complex number field
1153 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1154 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1155 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1156 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1157 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1158 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1159 calculation of some useful constants.
1160
1161 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1162 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1163 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1164 integers, construction from C-float and construction from a string:
1165
1166 @example
1167 #include <iostream>
1168 #include <ginac/ginac.h>
1169 using namespace GiNaC;
1170
1171 int main()
1172 @{
1173     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1174     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1175     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1176     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1177     // Trott's constant in scientific notation:
1178     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1179     
1180     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1181     ...
1182 @end example
1183
1184 @cindex @code{I}
1185 @cindex complex numbers
1186 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1187 name @code{I}:
1188
1189 @example
1190     ...
1191     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1192     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1193 @}
1194 @end example
1195
1196 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1197 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1198 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1199 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1200 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1201 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1202 also.
1203
1204 @cindex @code{Digits}
1205 @cindex accuracy
1206 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1207 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1208 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1209 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1210 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1211 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1212 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1213 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1214 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1215 digits:
1216
1217 @example
1218 #include <iostream>
1219 #include <ginac/ginac.h>
1220 using namespace std;
1221 using namespace GiNaC;
1222
1223 void foo()
1224 @{
1225     numeric three(3.0), one(1.0);
1226     numeric x = one/three;
1227
1228     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1229     cout << x << endl;
1230     cout << Pi.evalf() << endl;
1231 @}
1232
1233 int main()
1234 @{
1235     foo();
1236     Digits = 60;
1237     foo();
1238     return 0;
1239 @}
1240 @end example
1241
1242 The above example prints the following output to screen:
1243
1244 @example
1245 in 17 digits:
1246 0.33333333333333333334
1247 3.1415926535897932385
1248 in 60 digits:
1249 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1250 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1251 @end example
1252
1253 @cindex rounding
1254 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1255 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1256 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1257 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1258 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1259 architectures with different word size, the above output might even
1260 differ with regard to actually computed digits.
1261
1262 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1263 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1264 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1265
1266 @subsection Tests on numbers
1267
1268 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1269 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1270 kind of information from them like asking whether that number is
1271 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1272 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1273 certain CLN functions.)
1274
1275 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1276 some multiple of its denominator and test what comes out:
1277
1278 @example
1279 #include <iostream>
1280 #include <ginac/ginac.h>
1281 using namespace std;
1282 using namespace GiNaC;
1283
1284 // some very important constants:
1285 const numeric twentyone(21);
1286 const numeric ten(10);
1287 const numeric five(5);
1288
1289 int main()
1290 @{
1291     numeric answer = twentyone;
1292
1293     answer /= five;
1294     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1295     answer *= ten;
1296     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1297 @}
1298 @end example
1299
1300 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1301 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1302 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1303 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1304 the result is automatically converted to a pure integer again.
1305 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1306 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1307 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1308 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1309 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1310 can be applied is listed in the following table.
1311
1312 @cartouche
1313 @multitable @columnfractions .30 .70
1314 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1315 @item @code{.is_zero()}
1316 @tab @dots{}equal to zero
1317 @item @code{.is_positive()}
1318 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1319 @item @code{.is_integer()}
1320 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1321 @item @code{.is_pos_integer()}
1322 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1323 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1324 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1325 @item @code{.is_even()}
1326 @tab @dots{}an even integer
1327 @item @code{.is_odd()}
1328 @tab @dots{}an odd integer
1329 @item @code{.is_prime()}
1330 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1331 @item @code{.is_rational()}
1332 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1333 @item @code{.is_real()}
1334 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1335 @item @code{.is_cinteger()}
1336 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1337 @item @code{.is_crational()}
1338 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1339 @end multitable
1340 @end cartouche
1341
1342 @subsection Numeric functions
1343
1344 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1345 evaluated immediately:
1346
1347 @cartouche
1348 @multitable @columnfractions .30 .70
1349 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1350 @item @code{inverse(z)}
1351 @tab returns @math{1/z}
1352 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1353 @item @code{pow(a, b)}
1354 @tab exponentiation @math{a^b}
1355 @item @code{abs(z)}
1356 @tab absolute value
1357 @item @code{real(z)}
1358 @tab real part
1359 @cindex @code{real()}
1360 @item @code{imag(z)}
1361 @tab imaginary part
1362 @cindex @code{imag()}
1363 @item @code{csgn(z)}
1364 @tab complex sign (returns an @code{int})
1365 @item @code{numer(z)}
1366 @tab numerator of rational or complex rational number
1367 @item @code{denom(z)}
1368 @tab denominator of rational or complex rational number
1369 @item @code{sqrt(z)}
1370 @tab square root
1371 @item @code{isqrt(n)}
1372 @tab integer square root
1373 @cindex @code{isqrt()}
1374 @item @code{sin(z)}
1375 @tab sine
1376 @item @code{cos(z)}
1377 @tab cosine
1378 @item @code{tan(z)}
1379 @tab tangent
1380 @item @code{asin(z)}
1381 @tab inverse sine
1382 @item @code{acos(z)}
1383 @tab inverse cosine
1384 @item @code{atan(z)}
1385 @tab inverse tangent
1386 @item @code{atan(y, x)}
1387 @tab inverse tangent with two arguments
1388 @item @code{sinh(z)}
1389 @tab hyperbolic sine
1390 @item @code{cosh(z)}
1391 @tab hyperbolic cosine
1392 @item @code{tanh(z)}
1393 @tab hyperbolic tangent
1394 @item @code{asinh(z)}
1395 @tab inverse hyperbolic sine
1396 @item @code{acosh(z)}
1397 @tab inverse hyperbolic cosine
1398 @item @code{atanh(z)}
1399 @tab inverse hyperbolic tangent
1400 @item @code{exp(z)}
1401 @tab exponential function
1402 @item @code{log(z)}
1403 @tab natural logarithm
1404 @item @code{Li2(z)}
1405 @tab dilogarithm
1406 @item @code{zeta(z)}
1407 @tab Riemann's zeta function
1408 @item @code{tgamma(z)}
1409 @tab gamma function
1410 @item @code{lgamma(z)}
1411 @tab logarithm of gamma function
1412 @item @code{psi(z)}
1413 @tab psi (digamma) function
1414 @item @code{psi(n, z)}
1415 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1416 @item @code{factorial(n)}
1417 @tab factorial function @math{n!}
1418 @item @code{doublefactorial(n)}
1419 @tab double factorial function @math{n!!}
1420 @cindex @code{doublefactorial()}
1421 @item @code{binomial(n, k)}
1422 @tab binomial coefficients
1423 @item @code{bernoulli(n)}
1424 @tab Bernoulli numbers
1425 @cindex @code{bernoulli()}
1426 @item @code{fibonacci(n)}
1427 @tab Fibonacci numbers
1428 @cindex @code{fibonacci()}
1429 @item @code{mod(a, b)}
1430 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1431 @cindex @code{mod()}
1432 @item @code{smod(a, b)}
1433 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1434 @cindex @code{smod()}
1435 @item @code{irem(a, b)}
1436 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1437 @cindex @code{irem()}
1438 @item @code{irem(a, b, q)}
1439 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1440 @item @code{iquo(a, b)}
1441 @tab integer quotient
1442 @cindex @code{iquo()}
1443 @item @code{iquo(a, b, r)}
1444 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1445 @item @code{gcd(a, b)}
1446 @tab greatest common divisor
1447 @item @code{lcm(a, b)}
1448 @tab least common multiple
1449 @end multitable
1450 @end cartouche
1451
1452 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1453 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1454 as polynomial algorithms.
1455
1456 @subsection Converting numbers
1457
1458 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1459 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1460 class provides a couple of methods for this purpose:
1461
1462 @cindex @code{to_int()}
1463 @cindex @code{to_long()}
1464 @cindex @code{to_double()}
1465 @cindex @code{to_cl_N()}
1466 @example
1467 int numeric::to_int() const;
1468 long numeric::to_long() const;
1469 double numeric::to_double() const;
1470 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1471 @end example
1472
1473 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1474 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1475 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1476 rational number will return a floating-point approximation. Both
1477 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1478 part of complex numbers.
1479
1480
1481 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1482 @c    node-name, next, previous, up
1483 @section Constants
1484 @cindex @code{constant} (class)
1485
1486 @cindex @code{Pi}
1487 @cindex @code{Catalan}
1488 @cindex @code{Euler}
1489 @cindex @code{evalf()}
1490 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1491 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1492
1493 The predefined known constants are:
1494
1495 @cartouche
1496 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1497 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1498 @item @code{Pi}
1499 @tab Archimedes' constant
1500 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1501 @item @code{Catalan}
1502 @tab Catalan's constant
1503 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1504 @item @code{Euler}
1505 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1506 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1507 @end multitable
1508 @end cartouche
1509
1510
1511 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1512 @c    node-name, next, previous, up
1513 @section Sums, products and powers
1514 @cindex polynomial
1515 @cindex @code{add}
1516 @cindex @code{mul}
1517 @cindex @code{power}
1518
1519 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1520 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1521 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1522 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1523 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1524 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1525 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1526 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1527
1528 @example
1529     ...
1530     symbol a("a"), b("b");
1531     ex MyTerm = 1+a*b;
1532     ...
1533 @end example
1534
1535 @cindex @code{pow()}
1536 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1537 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1538 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1539 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1540 have several counterintuitive and undesired effects:
1541
1542 @itemize @bullet
1543 @item
1544 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1545 @item
1546 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1547 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1548 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1549 @item
1550 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1551 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1552 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1553 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1554 has requested @code{2^3}.)
1555 @end itemize
1556
1557 @cindex @command{ginsh}
1558 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1559 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1560 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1561 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1562 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1563 not exist at all in C++).
1564
1565 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1566 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1567 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1568 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1569 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1570 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1571 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1572 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1573 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1574 @code{x} negative.
1575
1576 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1577 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1578 and safe simplifications are carried out like transforming
1579 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1580
1581
1582 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1583 @c    node-name, next, previous, up
1584 @section Lists of expressions
1585 @cindex @code{lst} (class)
1586 @cindex lists
1587 @cindex @code{nops()}
1588 @cindex @code{op()}
1589 @cindex @code{append()}
1590 @cindex @code{prepend()}
1591 @cindex @code{remove_first()}
1592 @cindex @code{remove_last()}
1593 @cindex @code{remove_all()}
1594
1595 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1596 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1597 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1598 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1599 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1600
1601 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1602 expressions:
1603
1604 @example
1605 @{
1606     symbol x("x"), y("y");
1607     lst l;
1608     l = x, 2, y, x+y;
1609     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1610     // in that order
1611     ...
1612 @end example
1613
1614 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1615 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1616
1617 @example
1618     ...
1619     // This produces the same list 'l' as above:
1620     // lst l(x, 2, y, x+y);
1621     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1622     ...
1623 @end example
1624
1625 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1626 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1627 individual elements:
1628
1629 @example
1630     ...
1631     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1632     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1633     ...
1634 @end example
1635
1636 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1637 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1638 sequential access to the elements of a list is possible with the
1639 iterator types provided by the @code{lst} class:
1640
1641 @example
1642 typedef ... lst::const_iterator;
1643 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1644 lst::const_iterator lst::begin() const;
1645 lst::const_iterator lst::end() const;
1646 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1647 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1648 @end example
1649
1650 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1651
1652 @example
1653     ...
1654     // O(N)
1655     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1656         cout << *i << endl;
1657     ...
1658 @end example
1659
1660 which is one order faster than
1661
1662 @example
1663     ...
1664     // O(N^2)
1665     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1666         cout << l.op(i) << endl;
1667     ...
1668 @end example
1669
1670 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1671 the C++ standard library:
1672
1673 @example
1674     ...
1675     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1676     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1677
1678     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1679     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1680     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1681     ...
1682 @end example
1683
1684 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1685 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1686
1687 @example
1688     ...
1689     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1690     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1691     ...
1692 @end example
1693
1694 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1695 and @code{prepend()} methods:
1696
1697 @example
1698     ...
1699     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1700     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1701     ...
1702 @end example
1703
1704 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1705 and @code{remove_last()}:
1706
1707 @example
1708     ...
1709     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1710     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1711     ...
1712 @end example
1713
1714 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1715
1716 @example
1717     ...
1718     l.remove_all();     // l is now empty
1719     ...
1720 @end example
1721
1722 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1723
1724 @example
1725     ...
1726     lst l1, l2;
1727     l1 = x, 2, y, x+y;
1728     l2 = 2, x+y, x, y;
1729     l1.sort();
1730     l2.sort();
1731     // l1 and l2 are now equal
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1736 elements with @code{unique()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     lst l3;
1741     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1742     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1743 @}
1744 @end example
1745
1746
1747 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1748 @c    node-name, next, previous, up
1749 @section Mathematical functions
1750 @cindex @code{function} (class)
1751 @cindex trigonometric function
1752 @cindex hyperbolic function
1753
1754 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1755 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1756 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1757
1758 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1759 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1760 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1761 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1762 the next example, showing how a function returns itself twice and
1763 finally an expression that may be really useful:
1764
1765 @cindex Gamma function
1766 @cindex @code{subs()}
1767 @example
1768     ...
1769     symbol x("x"), y("y");    
1770     ex foo = x+y/2;
1771     cout << tgamma(foo) << endl;
1772      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1773     ex bar = foo.subs(y==1);
1774     cout << tgamma(bar) << endl;
1775      // -> tgamma(x+1/2)
1776     ex foobar = bar.subs(x==7);
1777     cout << tgamma(foobar) << endl;
1778      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1779     ...
1780 @end example
1781
1782 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1783 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1784 this.
1785
1786 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1787 functions, where the argument list is templated.  This means that
1788 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1789 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1790 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1791 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1792 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1793 point number of class @code{numeric} you should call
1794 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1795 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1796 wrapped inside an @code{ex}.
1797
1798
1799 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1800 @c    node-name, next, previous, up
1801 @section Relations
1802 @cindex @code{relational} (class)
1803
1804 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1805 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1806 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1807 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1808 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1809 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1810
1811 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1812 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1813 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1814 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1815 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1816 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1817 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1818 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1819 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1820 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1821 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1822 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1823 @code{expand()} must be called explicitly.
1824
1825
1826 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1827 @c    node-name, next, previous, up
1828 @section Matrices
1829 @cindex @code{matrix} (class)
1830
1831 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1832 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1833 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1834 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1835
1836 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1837 elements. The constructor
1838
1839 @example
1840 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1841 @end example
1842
1843 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1844 set to zero.
1845
1846 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1847 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1848 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1849
1850 @example
1851 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1852 @end example
1853
1854 The function
1855
1856 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1857 @example
1858 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1859 @end example
1860
1861 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1862
1863 There is also a set of functions for creating some special types of
1864 matrices:
1865
1866 @cindex @code{diag_matrix()}
1867 @cindex @code{unit_matrix()}
1868 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1869 @example
1870 ex diag_matrix(const lst & l);
1871 ex unit_matrix(unsigned x);
1872 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1873 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1874 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1875 @end example
1876
1877 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1878 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1879 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1880 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1881 and the position of each element in the matrix.
1882
1883 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1884 operator:
1885
1886 @example
1887 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1888 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1889 @end example
1890
1891 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1892 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1893 @samp{[]} is not available.
1894
1895 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1896
1897 @example
1898 @{
1899     symbol a("a"), b("b");
1900
1901     matrix M(2, 2);
1902     M = a, 0,
1903         0, b;
1904     cout << M << endl;
1905      // -> [[a,0],[0,b]]
1906
1907     matrix M2(2, 2);
1908     M2(0, 0) = a;
1909     M2(1, 1) = b;
1910     cout << M2 << endl;
1911      // -> [[a,0],[0,b]]
1912
1913     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1914      // -> [[a,0],[0,b]]
1915
1916     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1917      // -> [[a,0],[0,b]]
1918
1919     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1920      // -> [[a,0],[0,b]]
1921
1922     cout << unit_matrix(3) << endl;
1923      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1924
1925     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1926      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1927 @}
1928 @end example
1929
1930 @cindex @code{transpose()}
1931 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1932 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1933
1934 @example
1935 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1936 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1937 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1938 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1939 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1940 matrix matrix::transpose() const;
1941 @end example
1942
1943 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1944 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1945 and @math{C}:
1946
1947 @example
1948 @{
1949     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
1950     A =  1, 2,
1951          3, 4;
1952     B = -1, 0,
1953          2, 1;
1954     C =  8, 4,
1955          2, 1;
1956
1957     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1958     cout << result << endl;
1959      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1960     ...
1961 @}
1962 @end example
1963
1964 @cindex @code{evalm()}
1965 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1966 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1967 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1968 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1969 method
1970
1971 @example
1972 ex ex::evalm() const;
1973 @end example
1974
1975 to obtain the result:
1976
1977 @example
1978 @{
1979     ...
1980     ex e = A*B - 2*C;
1981     cout << e << endl;
1982      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1983     cout << e.evalm() << endl;
1984      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1985     ...
1986 @}
1987 @end example
1988
1989 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1990 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1991 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1992 dealing with non-commutative expressions.
1993
1994 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1995 to perform the arithmetic:
1996
1997 @example
1998 @{
1999     ...
2000     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2001     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2002     cout << e << endl;
2003      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2004     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2005      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2006 @}
2007 @end example
2008
2009 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2010 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2011 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2012 more information about using matrices with indices, and about indices in
2013 general.
2014
2015 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2016 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2017
2018 @cindex @code{determinant()}
2019 @cindex @code{trace()}
2020 @cindex @code{charpoly()}
2021 @cindex @code{rank()}
2022 @example
2023 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2024 ex matrix::trace() const;
2025 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2026 unsigned matrix::rank() const;
2027 @end example
2028
2029 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2030 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2031 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2032 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2033 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2034 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2035 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2036 quickly.
2037
2038 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2039 @cindex @code{solve()}
2040 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2041 method and linear systems may be solved with:
2042
2043 @example
2044 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2045 @end example
2046
2047 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2048 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2049 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2050 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2051 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2052 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2053 overdetermined, an exception is thrown.
2054
2055
2056 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2057 @c    node-name, next, previous, up
2058 @section Indexed objects
2059
2060 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2061 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2062 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2063 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2064
2065 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2066 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2067 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2068 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2069
2070 @cindex @code{idx} (class)
2071 @cindex @code{indexed} (class)
2072 @subsection Indexed quantities and their indices
2073
2074 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2075 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2076
2077 @itemize @bullet
2078
2079 @cindex contravariant
2080 @cindex covariant
2081 @cindex variance
2082 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2083 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2084 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2085 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2086 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2087 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2088
2089 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2090 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2091 one or more indices.
2092
2093 @end itemize
2094
2095 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
2096 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2097 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2098 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2099 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2100 not visible in the output.
2101
2102 A simple example shall illustrate the concepts:
2103
2104 @example
2105 #include <iostream>
2106 #include <ginac/ginac.h>
2107 using namespace std;
2108 using namespace GiNaC;
2109
2110 int main()
2111 @{
2112     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2113     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2114
2115     symbol A("A");
2116     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2117      // -> A.i.j
2118     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2119      // -> A.i[3].j[3]
2120     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2121     ...
2122 @end example
2123
2124 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2125 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2126 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2127 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2128 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2129 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2130 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2131 @code{j}.
2132
2133 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2134 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2135 as shown above.
2136
2137 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2138 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2139 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2140 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2141 correct and will raise an exception:
2142
2143 @example
2144 symbol i("i"), j("j");
2145 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2146 @end example
2147
2148 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2149 be numeric, and index dimensions symbolic:
2150
2151 @example
2152     ...
2153     symbol B("B"), dim("dim");
2154     cout << 4 * indexed(A, i)
2155           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2156      // -> B.j.2.i+4*A.i
2157     ...
2158 @end example
2159
2160 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2161 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2162 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2163 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2164 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2165
2166 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2167 arbitrary expressions:
2168
2169 @example
2170     ...
2171     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2172      // -> (B+A).(1+2*i)
2173     ...
2174 @end example
2175
2176 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2177 get an error message from this but you will probably not be able to do
2178 anything useful with it.
2179
2180 @cindex @code{get_value()}
2181 @cindex @code{get_dimension()}
2182 The methods
2183
2184 @example
2185 ex idx::get_value();
2186 ex idx::get_dimension();
2187 @end example
2188
2189 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2190 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2191 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2192 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2193
2194 There are also the methods
2195
2196 @example
2197 bool idx::is_numeric();
2198 bool idx::is_symbolic();
2199 bool idx::is_dim_numeric();
2200 bool idx::is_dim_symbolic();
2201 @end example
2202
2203 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2204 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2205 About Expressions}) returns information about the index value.
2206
2207 @cindex @code{varidx} (class)
2208 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2209
2210 @example
2211     ...
2212     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2213     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2214     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2215
2216     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2217      // -> A~mu~nu
2218     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2219      // -> A.mu~nu
2220     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2221      // -> A.mu~nu
2222     ...
2223 @end example
2224
2225 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2226 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2227 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2228 constructor. The two methods
2229
2230 @example
2231 bool varidx::is_covariant();
2232 bool varidx::is_contravariant();
2233 @end example
2234
2235 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2236 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2237 method
2238
2239 @example
2240 ex varidx::toggle_variance();
2241 @end example
2242
2243 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2244 variance. By using it you only have to define the index once.
2245
2246 @cindex @code{spinidx} (class)
2247 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2248 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2249
2250 @example
2251     ...
2252     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2253     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2254                                             // contravariant, undotted
2255     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2256     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2257     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2258
2259     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2260      // -> K~C~D
2261     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2262      // -> K.C~*D
2263     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2264      // -> K.*D~D
2265     ...
2266 @end example
2267
2268 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2269 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2270 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2271 methods
2272
2273 @example
2274 bool spinidx::is_dotted();
2275 bool spinidx::is_undotted();
2276 @end example
2277
2278 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2279 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2280 Finally, the two methods
2281
2282 @example
2283 ex spinidx::toggle_dot();
2284 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2285 @end example
2286
2287 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2288 and the same or opposite variance.
2289
2290 @subsection Substituting indices
2291
2292 @cindex @code{subs()}
2293 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2294 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2295 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2296 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2297
2298 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2299 by another index or expression:
2300
2301 @example
2302     ...
2303     ex e = indexed(A, mu_co);
2304     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2305      // -> A.mu becomes A~nu
2306     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2307      // -> A.mu becomes A~0
2308     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2309      // -> A.mu becomes A.0
2310     ...
2311 @end example
2312
2313 The third example shows that trying to replace an index with something that
2314 is not an index will substitute the index value instead.
2315
2316 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2317 another expression:
2318
2319 @example
2320     ...
2321     ex e = indexed(A, mu_co);
2322     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2323      // -> A.mu becomes A.nu
2324     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2325      // -> A.mu becomes A.0
2326     ...
2327 @end example
2328
2329 As you see, with the second method only the value of the index will get
2330 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2331 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2332 whole index by another one with the new dimension.
2333
2334 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2335 expected:
2336
2337 @example
2338     ...
2339     ex e = indexed(A, mu_co);
2340     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2341      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2342     ...
2343 @end example
2344
2345 @subsection Symmetries
2346 @cindex @code{symmetry} (class)
2347 @cindex @code{sy_none()}
2348 @cindex @code{sy_symm()}
2349 @cindex @code{sy_anti()}
2350 @cindex @code{sy_cycl()}
2351
2352 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2353 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2354 that is constructed with the helper functions
2355
2356 @example
2357 symmetry sy_none(...);
2358 symmetry sy_symm(...);
2359 symmetry sy_anti(...);
2360 symmetry sy_cycl(...);
2361 @end example
2362
2363 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2364 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2365 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2366 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2367 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2368 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2369 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2370 all indices.
2371
2372 Here are some examples of symmetry definitions:
2373
2374 @example
2375     ...
2376     // No symmetry:
2377     e = indexed(A, i, j);
2378     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2379     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2380
2381     // Symmetric in all three indices:
2382     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2383     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2384     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2385                                                // different canonical order
2386
2387     // Symmetric in the first two indices only:
2388     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2389     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2390
2391     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2392     // be contiguous):
2393     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2394     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2395
2396     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2397     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2398     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2399     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2400
2401     // Cyclic symmetry in all three indices:
2402     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2403     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2404
2405     // The following examples are invalid constructions that will throw
2406     // an exception at run time.
2407
2408     // An index may not appear multiple times:
2409     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2410     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2411
2412     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2413     // same number of indices:
2414     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2415
2416     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2417     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2418     ...
2419 @end example
2420
2421 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2422 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2423 full symmetry in the first six indices you would write
2424 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2425
2426 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2427 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2428
2429 @example
2430     ...
2431     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2432           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2433      // -> 2*A.j.i
2434     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2435           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2436      // -> 0
2437     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2438           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2439      // -> 0
2440     ...
2441 @end example
2442
2443 @cindex @code{get_free_indices()}
2444 @cindex dummy index
2445 @subsection Dummy indices
2446
2447 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2448 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2449 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2450 dummy nor free indices.
2451
2452 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2453 class and their value must be the same single symbol (an index like
2454 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2455 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2456 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2457
2458 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2459 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2460 of a sum are consistent:
2461
2462 @example
2463 @{
2464     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2465
2466     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2467     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2468
2469     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2470     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2471      // -> (.i,.k)
2472      // 'j' and 'l' are dummy indices
2473
2474     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2475     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2476
2477     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2478       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2479     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2480      // -> (~mu,~rho)
2481      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2482
2483     e = indexed(A, mu, mu);
2484     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2485      // -> (~mu)
2486      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2487      // variance
2488
2489     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2490     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2491      // this will throw an exception:
2492      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2493 @}
2494 @end example
2495
2496 @cindex @code{simplify_indexed()}
2497 @subsection Simplifying indexed expressions
2498
2499 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2500 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2501 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2502 there is the method
2503
2504 @example
2505 ex ex::simplify_indexed();
2506 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2507 @end example
2508
2509 that performs some more expensive operations:
2510
2511 @itemize
2512 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2513   @code{get_free_indices()} does
2514 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2515   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2516 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2517   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2518   next section)
2519 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2520   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2521 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2522   of two tensors with a user-defined value
2523 @end itemize
2524
2525 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2526 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2527 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2528
2529 @example
2530 @{
2531     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2532     idx i(i_sym, 3);
2533
2534     scalar_products sp;
2535     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2536     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2537     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2538
2539     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2540     cout << e << endl;
2541      // -> (B+A).i*(A+C).i
2542
2543     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2544          << endl;
2545      // -> 4+C.i*B.i
2546 @}
2547 @end example
2548
2549 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2550 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2551 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2552 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2553 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2554 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2555 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2556 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2557
2558 @cindex @code{expand()}
2559 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2560 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2561 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2562
2563 @cindex @code{tensor} (class)
2564 @subsection Predefined tensors
2565
2566 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2567 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2568 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2569 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2570 indices are specified).
2571
2572 @cindex @code{delta_tensor()}
2573 @subsubsection Delta tensor
2574
2575 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2576 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2577 @code{delta_tensor()}:
2578
2579 @example
2580 @{
2581     symbol A("A"), B("B");
2582
2583     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2584         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2585
2586     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2587          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2588     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2589      // -> B.i.j*A.i.j
2590
2591     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2592      // -> 3
2593 @}
2594 @end example
2595
2596 @cindex @code{metric_tensor()}
2597 @subsubsection General metric tensor
2598
2599 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2600 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2601 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2602 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2603
2604 @example
2605 @{
2606     symbol A("A");
2607
2608     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2609
2610     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2611     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2612      // -> A~mu~rho
2613
2614     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2615     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2616      // -> g~mu~rho
2617
2618     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2619       * metric_tensor(nu, rho);
2620     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2621      // -> delta.mu~rho
2622
2623     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2624       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2625         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2626     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2627      // -> 4+A.rho~rho
2628 @}
2629 @end example
2630
2631 @cindex @code{lorentz_g()}
2632 @subsubsection Minkowski metric tensor
2633
2634 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2635 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2636 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2637 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2638 @samp{eta}):
2639
2640 @example
2641 @{
2642     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2643
2644     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2645       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2646     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2647      // -> 1
2648
2649     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2650       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2651     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2652      // -> -1
2653 @}
2654 @end example
2655
2656 @cindex @code{spinor_metric()}
2657 @subsubsection Spinor metric tensor
2658
2659 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2660 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2661 It is output as @samp{eps}:
2662
2663 @example
2664 @{
2665     symbol psi("psi");
2666
2667     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2668     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2669
2670     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2671     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2672      // -> psi~A
2673
2674     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2675     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2676      // -> -psi~B
2677
2678     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2680      // -> -psi.A
2681
2682     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2684      // -> psi.B
2685
2686     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2688      // -> 2
2689
2690     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2692      // -> -delta.A~C
2693 @}
2694 @end example
2695
2696 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2697
2698 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2699 @cindex @code{lorentz_eps()}
2700 @subsubsection Epsilon tensor
2701
2702 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2703 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2704 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2705 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2706 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2707 @samp{eps}.
2708
2709 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2710 dimensions:
2711
2712 @example
2713 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2714 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2715 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2716 @end example
2717
2718 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2719 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2720 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2721 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2722 tensor):
2723
2724 @example
2725 @{
2726     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2727            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2728     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2729         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2730     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2731      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2732
2733     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2734     symbol A("A"), B("B");
2735     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2736     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2737      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2738     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2739     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2740      // -> 0
2741 @}
2742 @end example
2743
2744 @subsection Linear algebra
2745
2746 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2747 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2748 and scalar products):
2749
2750 @example
2751 @{
2752     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2753     symbol x("x"), y("y");
2754
2755     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2756     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2757     A = 1, 2,
2758         3, 4;
2759     X = x, y;
2760
2761     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2762      // -> 5
2763
2764     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2765     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2766      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2767
2768     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2769     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2770      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2771 @}
2772 @end example
2773
2774 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2775 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2776 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2777
2778 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2779 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2780 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2781 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2782
2783 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2784 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2785 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2786 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2787 of the metric tensor.
2788
2789
2790 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2791 @c    node-name, next, previous, up
2792 @section Non-commutative objects
2793
2794 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2795 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2796 physics:
2797
2798 @itemize
2799 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2800 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2801 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2802 @end itemize
2803
2804 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2805 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2806 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2807 @ref{Matrices}.
2808
2809 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2810 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2811 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2812 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2813 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2814 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2815 by their class. Consider this example:
2816
2817 @example
2818     ...
2819     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2820     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2821     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2822     cout << e << endl;
2823      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2824     ...
2825 @end example
2826
2827 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2828 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2829 together while preserving the order of factors within each class (because
2830 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2831 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2832 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2833 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2834
2835 @cindex @code{ncmul} (class)
2836 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2837 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2838 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2839 though.
2840
2841 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2842 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2843 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2844 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2845 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2846 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2847 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2848 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2849 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2850 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2851
2852 @cindex @code{return_type()}
2853 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2854 Information about the commutativity of an object or expression can be
2855 obtained with the two member functions
2856
2857 @example
2858 unsigned ex::return_type() const;
2859 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2860 @end example
2861
2862 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2863 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2864 expressions in GiNaC:
2865
2866 @itemize
2867 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2868   classes are of this kind.
2869 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2870   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2871   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2872   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2873   class.
2874 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2875   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2876   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2877   @code{noncommutative_composite} expressions.
2878 @end itemize
2879
2880 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2881 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2882 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2883 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2884
2885 Here are a couple of examples:
2886
2887 @cartouche
2888 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2889 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2890 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2891 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2892 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2893 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2894 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2895 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2896 @end multitable
2897 @end cartouche
2898
2899 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2900 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2901 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2902 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2903 for color objects.
2904
2905 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2906 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2907 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2908 non-commutative expressions).
2909
2910
2911 @cindex @code{clifford} (class)
2912 @subsection Clifford algebra
2913
2914 @cindex @code{dirac_gamma()}
2915 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2916 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2917 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2918 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2919
2920 @example
2921 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2922 @end example
2923
2924 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2925 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2926 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2927 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2928 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2929 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2930
2931 @cindex @code{dirac_ONE()}
2932 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2933
2934 @example
2935 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2936 @end example
2937
2938 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2939 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2940 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2941 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2942 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2943
2944 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2945 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2946 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2947 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2948
2949 @example
2950 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2951 @end example
2952
2953 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2954 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2955 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2956 objects, constructed by
2957
2958 @example
2959 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2960 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2961 @end example
2962
2963 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2964 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2965
2966 @cindex @code{dirac_slash()}
2967 Finally, the function
2968
2969 @example
2970 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2971 @end example
2972
2973 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2974 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2975 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2976 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2977
2978 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2979 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2980 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2981
2982 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2983 for example
2984
2985 @example
2986 @{
2987     ...
2988     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2989     varidx mu(symbol("mu"), D);
2990     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2991          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2992     cout << e << endl;
2993      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2994     e = e.simplify_indexed();
2995     cout << e << endl;
2996      // -> -D*a\+2*a\
2997     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2998      // -> -2*a\
2999     ...
3000 @}
3001 @end example
3002
3003 @cindex @code{dirac_trace()}
3004 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3005 you use the function
3006
3007 @example
3008 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3009 @end example
3010
3011 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
3012 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
3013 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3014 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
3015 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
3016 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
3017 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
3018 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3019 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3020
3021 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3022 @math{D != 4} dimensions:
3023
3024 @example
3025 @{
3026     // 4 dimensions
3027     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3028     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3029            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3030     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3031      // -> -8*eta~rho~nu
3032 @}
3033 ...
3034 @{
3035     // D dimensions
3036     symbol D("D");
3037     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3038     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3039            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3040     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3041      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3042 @}
3043 @end example
3044
3045 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3046 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3047 QED:
3048
3049 @example
3050 @{
3051     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3052     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3053
3054     scalar_products sp;
3055     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3056     sp.add(l, q, ldotq);
3057
3058     ex e = dirac_gamma(mu) *
3059            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3060            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3061            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3062     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3063     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3064     cout << e << endl;
3065      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3066 @}
3067 @end example
3068
3069 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3070 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3071 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3072
3073 @example
3074 @{
3075     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3076     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3077     cout << e << endl;
3078      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3079
3080     e = canonicalize_clifford(e);
3081     cout << e << endl;
3082      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3083 @}
3084 @end example
3085
3086
3087 @cindex @code{color} (class)
3088 @subsection Color algebra
3089
3090 @cindex @code{color_T()}
3091 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3092 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3093 elements @math{T_a} are constructed by the function
3094
3095 @example
3096 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3097 @end example
3098
3099 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3100 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3101 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
3102 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3103 not @code{varidx}.
3104
3105 @cindex @code{color_ONE()}
3106 The unity element of a color algebra is constructed by
3107
3108 @example
3109 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3113 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3114 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3115 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3116 GiNaC may produce incorrect results.
3117
3118 @cindex @code{color_d()}
3119 @cindex @code{color_f()}
3120 The functions
3121
3122 @example
3123 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3124 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3125 @end example
3126
3127 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3128 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3129 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3130
3131 @cindex @code{color_h()}
3132 There's an additional function
3133
3134 @example
3135 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3136 @end example
3137
3138 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3139
3140 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3141 expressions containing color objects:
3142
3143 @example
3144 @{
3145     ...
3146     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3147         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3148
3149     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3150     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3151      // -> 0
3152
3153     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3154     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3155      // -> 5/3*delta.k.l
3156
3157     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3158     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3159      // -> 3*delta.k.l
3160
3161     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3162     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3163      // -> -32/3
3164
3165     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3166     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3167      // -> -2/3*T.a
3168
3169     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3170     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3171      // -> -8/9*ONE
3172
3173     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3174     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3175      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3176     ...
3177 @end example
3178
3179 @cindex @code{color_trace()}
3180 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
3181 function
3182
3183 @example
3184 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3185 @end example
3186
3187 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
3188 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
3189 standing. For example:
3190
3191 @example
3192     ...
3193     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3194     cout << e << endl;
3195      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3196 @}
3197 @end example
3198
3199
3200 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3201 @c    node-name, next, previous, up
3202 @section Hash Maps
3203 @cindex hash maps
3204 @cindex @code{exhashmap} (class)
3205
3206 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3207 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3208 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3209 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3210
3211 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3212 following differences:
3213
3214 @itemize @bullet
3215 @item
3216 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3217 @item
3218 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3219 @item 
3220 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3221 @item
3222 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3223 @code{ex_is_less}
3224 @item
3225 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3226 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3227 larger than the specified value)
3228 @item
3229 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3230 table
3231 @item 
3232 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3233 @end itemize
3234
3235
3236 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3237 @c    node-name, next, previous, up
3238 @chapter Methods and Functions
3239 @cindex polynomial
3240
3241 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3242 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3243 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3244 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3245 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3246 example:
3247
3248 @example
3249     ...
3250     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3251     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3252     ...
3253 @end example
3254
3255 @cindex @code{subs()}
3256 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3257 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3258 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3259 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3260 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3261 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3262 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3263 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3264 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3265 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3266 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3267 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3268 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3269 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3270 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3271 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3272 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3273 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3274 avoided.
3275
3276 @menu
3277 * Information About Expressions::
3278 * Numerical Evaluation::
3279 * Substituting Expressions::
3280 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3281 * Applying a Function on Subexpressions::
3282 * Visitors and Tree Traversal::
3283 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3284 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3285 * Symbolic Differentiation::
3286 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3287 * Symmetrization::
3288 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3289 * Multiple polylogarithms::
3290 * Complex Conjugation::
3291 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3292 * Solving Linear Systems of Equations::
3293 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3294 @end menu
3295
3296
3297 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3298 @c    node-name, next, previous, up
3299 @section Getting information about expressions
3300
3301 @subsection Checking expression types
3302 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3303 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3304 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3305 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3306 @cindex @code{info()}
3307 @cindex @code{return_type()}
3308 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3309
3310 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3311 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3312 GiNaC provides a couple of functions for this:
3313
3314 @example
3315 bool is_a<T>(const ex & e);
3316 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3317 bool ex::info(unsigned flag);
3318 unsigned ex::return_type() const;
3319 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3320 @end example
3321
3322 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3323 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3324 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3325 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3326
3327 @example
3328 @{
3329     @dots{}
3330     if (is_a<numeric>(e))
3331         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3332     @dots{}
3333 @}
3334 @end example
3335
3336 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3337 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3338 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3339 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3340
3341 @example
3342 @{
3343     symbol x("x");
3344     ex e1 = 42;
3345     ex e2 = 4*x - 3;
3346     is_a<numeric>(e1);  // true
3347     is_a<numeric>(e2);  // false
3348     is_a<add>(e1);      // false
3349     is_a<add>(e2);      // true
3350     is_a<mul>(e1);      // false
3351     is_a<mul>(e2);      // false
3352 @}
3353 @end example
3354
3355 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3356 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3357 class @samp{T}, not including parent classes.
3358
3359 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3360 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3361 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3362 table:
3363
3364 @cartouche
3365 @multitable @columnfractions .30 .70
3366 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3367 @item @code{numeric}
3368 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3369 @item @code{real}
3370 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3371 @item @code{rational}
3372 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3373 @item @code{integer}
3374 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3375 @item @code{crational}
3376 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3377 @item @code{cinteger}
3378 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3379 @item @code{positive}
3380 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3381 @item @code{negative}
3382 @tab @dots{}not complex and less than 0
3383 @item @code{nonnegative}
3384 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3385 @item @code{posint}
3386 @tab @dots{}an integer greater than 0
3387 @item @code{negint}
3388 @tab @dots{}an integer less than 0
3389 @item @code{nonnegint}
3390 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3391 @item @code{even}
3392 @tab @dots{}an even integer
3393 @item @code{odd}
3394 @tab @dots{}an odd integer
3395 @item @code{prime}
3396 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3397 @item @code{relation}
3398 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3399 @item @code{relation_equal}
3400 @tab @dots{}a @code{==} relation
3401 @item @code{relation_not_equal}
3402 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3403 @item @code{relation_less}
3404 @tab @dots{}a @code{<} relation
3405 @item @code{relation_less_or_equal}
3406 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3407 @item @code{relation_greater}
3408 @tab @dots{}a @code{>} relation
3409 @item @code{relation_greater_or_equal}
3410 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3411 @item @code{symbol}
3412 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3413 @item @code{list}
3414 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3415 @item @code{polynomial}
3416 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3417 @item @code{integer_polynomial}
3418 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3419 @item @code{cinteger_polynomial}
3420 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3421 @item @code{rational_polynomial}
3422 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3423 @item @code{crational_polynomial}
3424 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3425 @item @code{rational_function}
3426 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3427 @item @code{algebraic}
3428 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3429 @end multitable
3430 @end cartouche
3431
3432 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3433 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3434 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3435 for an explanation of these.
3436
3437
3438 @subsection Accessing subexpressions
3439 @cindex container
3440
3441 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3442 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3443 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3444 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3445
3446 @cindex @code{nops()}
3447 @cindex @code{op()}
3448 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3449 use the two methods
3450
3451 @example
3452 size_t ex::nops();
3453 ex ex::op(size_t i);
3454 @end example
3455
3456 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3457 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3458 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3459 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3460 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3461 @math{i>0} are the indices.
3462
3463 @cindex iterators
3464 @cindex @code{const_iterator}
3465 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3466 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3467
3468 @example
3469 const_iterator ex::begin();
3470 const_iterator ex::end();
3471 @end example
3472
3473 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3474 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3475 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3476 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3477
3478 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3479 given expression in three different ways:
3480
3481 @example
3482 @{
3483     ex e = ...
3484
3485     // with nops()/op()
3486     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3487         cout << e.op(i) << endl;
3488
3489     // with iterators
3490     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3491         cout << *i << endl;
3492
3493     // with iterators and STL copy()
3494     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3495 @}
3496 @end example
3497
3498 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3499 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3500 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3501 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3502 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3503 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3504 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3505 methods
3506
3507 @example
3508 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3509 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3510 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3511 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3512 @end example
3513
3514 The following example illustrates the differences between
3515 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3516 @code{const_postorder_iterator}:
3517
3518 @example
3519 @{
3520     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3521     ex e = lst(lst(A, B), C);
3522
3523     std::copy(e.begin(), e.end(),
3524               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3525     // @{A,B@}
3526     // C
3527
3528     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3529               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3530     // @{@{A,B@},C@}
3531     // @{A,B@}
3532     // A
3533     // B
3534     // C
3535
3536     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3537               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3538     // A
3539     // B
3540     // @{A,B@}
3541     // C
3542     // @{@{A,B@},C@}
3543 @}
3544 @end example
3545
3546 @cindex @code{relational} (class)
3547 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3548 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3549 methods
3550
3551 @example
3552 ex ex::lhs();
3553 ex ex::rhs();
3554 @end example
3555
3556
3557 @subsection Comparing expressions
3558 @cindex @code{is_equal()}
3559 @cindex @code{is_zero()}
3560
3561 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3562 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3563 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3564 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3565 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3566 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3567 @code{false}.
3568
3569 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3570 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3571 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3572
3573 There are also two methods
3574
3575 @example
3576 bool ex::is_equal(const ex & other);
3577 bool ex::is_zero();
3578 @end example
3579
3580 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3581 respectively.
3582
3583
3584 @subsection Ordering expressions
3585 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3586 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3587 @cindex @code{compare()}
3588
3589 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3590 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3591 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3592 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3593
3594 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3595 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3596 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3597 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3598 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3599 yield @code{true}.
3600
3601 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3602 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3603 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3604 predicates to the STL:
3605
3606 @example
3607 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3608 public:
3609     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3610 @};
3611
3612 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3613 public:
3614     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3615 @};
3616 @end example
3617
3618 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3619 have to use
3620
3621 @example
3622 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3623 @end example
3624
3625 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3626 bugs because the map operates improperly.
3627
3628 Other examples for the use of the functors:
3629
3630 @example
3631 std::vector<ex> v;
3632 // fill vector
3633 ...
3634
3635 // sort vector
3636 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3637
3638 // count the number of expressions equal to '1'
3639 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3640                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3641 @end example
3642
3643 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3644
3645 @example
3646 int ex::compare(const ex & other) const;
3647 @end example
3648
3649 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3650 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3651 after @code{other}.
3652
3653
3654 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3655 @c    node-name, next, previous, up
3656 @section Numerical Evaluation
3657 @cindex @code{evalf()}
3658
3659 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3660 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3661
3662 @example
3663 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3664 @end example
3665
3666 @cindex @code{Digits}
3667 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3668 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3669 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3670
3671 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3672 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3673
3674 @example
3675 @{
3676     // Approximate sin(x/Pi)
3677     symbol x("x");
3678     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3679
3680     // Evaluate numerically at x=0.1
3681     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3682
3683     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3684     if (is_a<numeric>(f)) @{
3685         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3686         cout << d << endl;
3687          // -> 0.0318256
3688     @} else
3689         // error
3690 @}
3691 @end example
3692
3693
3694 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3695 @c    node-name, next, previous, up
3696 @section Substituting expressions
3697 @cindex @code{subs()}
3698
3699 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3700 expressions via the @code{.subs()} method:
3701
3702 @example
3703 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3704 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3705 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3706 @end example
3707
3708 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3709 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3710
3711 @example
3712 @{
3713     symbol x("x"), y("y");
3714
3715     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3716     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3717      // -> 73
3718
3719     ex e2 = x*y + x;
3720     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3721      // -> -10
3722 @}
3723 @end example
3724
3725 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3726 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3727
3728 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3729 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3730 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3731 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3732 be substituted is large or unknown.
3733
3734 Using this form, the second example from above would look like this:
3735
3736 @example
3737 @{
3738     symbol x("x"), y("y");
3739     ex e2 = x*y + x;
3740
3741     exmap m;
3742     m[x] = -2;
3743     m[y] = 4;
3744     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3745 @}
3746 @end example
3747
3748 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3749 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3750 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3751
3752 @example
3753 @{
3754     symbol x("x"), y("y");
3755     ex e2 = x*y + x;
3756
3757     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3758 @}
3759 @end example
3760
3761 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3762 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3763 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3764 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3765 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3766 algebraic substitutions in products and powers.
3767 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3768 about patterns and algebraic substitutions.
3769
3770 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3771 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3772 following example:
3773
3774 @example
3775 @{
3776     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3777
3778     ex e1 = pow(x+y, 2);
3779     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3780      // -> 16
3781
3782     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3783     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3784      // -> cos(x)^2*sin(y)
3785
3786     ex e3 = x+y+z;
3787     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3788      // -> x+y+z
3789      // (and not 4+z as one might expect)
3790 @}
3791 @end example
3792
3793 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3794 next section.
3795
3796
3797 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3798 @c    node-name, next, previous, up
3799 @section Pattern matching and advanced substitutions
3800 @cindex @code{wildcard} (class)
3801 @cindex Pattern matching
3802
3803 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3804 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3805 substituting expressions in a more general way.
3806
3807 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3808 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3809 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3810 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3811 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3812 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3813 with the call
3814
3815 @example
3816 ex wild(unsigned label = 0);
3817 @end example
3818
3819 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3820 name.
3821
3822 Some examples for patterns:
3823
3824 @multitable @columnfractions .5 .5
3825 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3826 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3827 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3828 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3829 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3830 @end multitable
3831
3832 Notes:
3833
3834 @itemize
3835 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3836   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3837 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3838   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3839   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3840 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3841   possible to use them as placeholders for other properties like index
3842   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3843   etc.
3844 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3845   as part of noncommutative products.
3846 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3847   are also valid patterns.
3848 @end itemize
3849
3850 @subsection Matching expressions
3851 @cindex @code{match()}
3852 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3853 matches a given pattern. This is done by the function
3854
3855 @example
3856 bool ex::match(const ex & pattern);
3857 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3858 @end example
3859
3860 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3861 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3862 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3863 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3864 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3865 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3866 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3867 expressions by passing in the result of a previous match.
3868
3869 The matching algorithm works as follows:
3870
3871 @itemize
3872 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3873   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3874   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3875   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3876 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3877   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3878   etc.).
3879 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3880   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3881 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3882   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3883   of the pattern.
3884 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3885   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3886 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3887   match the corresponding subexpression of the pattern.
3888 @end itemize
3889
3890 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3891 account for their commutativity and associativity:
3892
3893 @itemize
3894 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3895   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3896   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3897   way.
3898 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3899   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3900   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3901   further matches.
3902 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3903   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3904   which case this wildcard matches the remaining terms.
3905 @end itemize
3906
3907 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3908 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3909 ambiguous results.
3910
3911 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3912 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3913 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3914
3915 @example
3916 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3917 @{@}
3918 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3919 FAIL
3920 > match((x+y)^a,$1^$2);
3921 @{$1==x+y,$2==a@}
3922 > match((x+y)^a,$1^$1);
3923 FAIL
3924 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3925 @{$1==x+y@}
3926 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3927 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3928 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3929 @{$1==a@}
3930 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3931 @{$1==c,$2==b@}
3932   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3933 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3934   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3935    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3936    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3937    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3938    fail.)
3939 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3940   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3941    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3942 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3943 FAIL
3944 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3945 @{$0==a+e+b+f+d@}
3946 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3947 @{$0==a+b+f+d@}
3948 > match(a+b,a+b+$0);
3949 @{$0==0@}
3950 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3951 FAIL
3952   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3953    even though a==a^1.)
3954 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3955 @{$0==x@}
3956 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3957 @{$0==x^2@}
3958 @end example
3959
3960 @subsection Matching parts of expressions
3961 @cindex @code{has()}
3962 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3963 member function
3964
3965 @example
3966 bool ex::has(const ex & pattern);
3967 @end example
3968
3969 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3970 by any of its subexpressions.
3971
3972 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3973 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3974
3975 @example
3976 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3977 1
3978 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3979 0
3980   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3981    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3982 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3983 1
3984   (But this is possible.)
3985 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3986 0
3987   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3988    which "x+y" is not a subexpression.)
3989 > has(x+1,x^$1);
3990 0
3991   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3992    "x^something".)
3993 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3994 1
3995 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3996 0
3997   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3998    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3999    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4000 @end example
4001
4002 @cindex @code{find()}
4003 The method
4004
4005 @example
4006 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4007 @end example
4008
4009 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4010 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4011 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4012 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4013 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4014
4015 @example
4016 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4017 @{x@}
4018 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4019 @{@}
4020 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4021 @{x^3,x^2@}
4022   (Note the absence of "x".)
4023 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4024 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4025 > find(%,sin($1));
4026 @{sin(y),sin(x)@}
4027 @end example
4028
4029 @subsection Substituting expressions
4030 @cindex @code{subs()}
4031 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4032 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4033 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4034 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4035 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4036
4037 Some examples:
4038
4039 @example
4040 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4041 b^3+a^3+(x+y)^3
4042 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4043 b^4+a^4+(x+y)^4
4044 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4045 (a+b+c)^2
4046 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4047 (x+c)^2
4048 > subs(a+2*b,a+b==x);
4049 a+2*b
4050 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4051 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4052 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4053 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4054 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4055 cos(1+cos(x))
4056 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4057 a+b
4058 @end example
4059
4060 The last example would be written in C++ in this way:
4061
4062 @example
4063 @{
4064     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4065     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4066     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4067     cout << e.expand() << endl;
4068      // -> a+b
4069 @}
4070 @end example
4071
4072 @subsection Algebraic substitutions
4073 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4074 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4075 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4076 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4077 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4078 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4079 powers.
4080
4081 An example clarifies it all (hopefully):
4082
4083 @example
4084 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4085                                         subs_options::algebraic) << endl;
4086 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4087
4088 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4089 // --> (c+b+a)^2
4090 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4091
4092 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4093                                                                       << endl;
4094 // --> (x+c)^2
4095 // As I said: addition is just the same.
4096
4097 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4098 // --> x^3*b*a^2+2*b
4099
4100 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4101                                                                        << endl;
4102 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4103
4104 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4105 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4106
4107 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4108                                 subs_options::algebraic) << endl;
4109 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4110 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4111 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4112
4113 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4114                                 subs_options::algebraic) << endl;
4115 // --> cos(1+cos(x))
4116
4117 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4118         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4119                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4120 // --> b+a
4121 @end example
4122
4123
4124 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4125 @c    node-name, next, previous, up
4126 @section Applying a Function on Subexpressions
4127 @cindex tree traversal
4128 @cindex @code{map()}
4129
4130 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4131 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4132 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4133 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4134 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4135 to do this manually which usually results in code like this:
4136
4137 @example
4138 ex calc_trace(ex e)
4139 @{
4140     if (is_a<matrix>(e))
4141         return ex_to<matrix>(e).trace();
4142     else if (is_a<add>(e)) @{
4143         ex sum = 0;
4144         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4145             sum += calc_trace(e.op(i));
4146         return sum;
4147     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4148         ...
4149     @} else @{
4150         ...
4151     @}
4152 @}
4153 @end example
4154
4155 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4156 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4157 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4158 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4159 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4160
4161 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4162 operations:
4163
4164 @example
4165 ex ex::map(map_function & f) const;
4166 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4167 @end example
4168
4169 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4170 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4171 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4172 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4173 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4174 non-recursively.
4175
4176 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4177 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4178 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4179 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4180 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4181
4182 @example
4183 struct calc_trace : public map_function @{
4184     ex operator()(const ex &e)
4185     @{
4186         if (is_a<matrix>(e))
4187             return ex_to<matrix>(e).trace();
4188         else if (is_a<mul>(e)) @{
4189             ...
4190         @} else
4191             return e.map(*this);
4192     @}
4193 @};
4194 @end example
4195
4196 This function object could then be used like this:
4197
4198 @example
4199 @{
4200     ex M = ... // expression with matrices
4201     calc_trace do_trace;
4202     ex tr = do_trace(M);
4203 @}
4204 @end example
4205
4206 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4207 terms in a variable from an expanded polynomial:
4208
4209 @example
4210 struct map_rem_quad : public map_function @{
4211     ex var;
4212     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4213
4214     ex operator()(const ex & e)
4215     @{
4216         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4217             return e.map(*this);
4218         else if (is_a<power>(e) && 
4219                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4220             return 0;
4221         else
4222             return e;
4223     @}
4224 @};
4225
4226 ...
4227
4228 @{
4229     symbol x("x"), y("y");
4230
4231     ex e;
4232     for (int i=0; i<8; i++)
4233         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4234     cout << e << endl;
4235      // -> 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
4236
4237     map_rem_quad rem_quad(x);
4238     cout << rem_quad(e) << endl;
4239      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4240 @}
4241 @end example
4242
4243 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4244 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4245 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4246 acts as the placeholder for the operands:
4247
4248 @example
4249 > map(a*b,sin($0));
4250 sin(a)*sin(b)
4251 > map(a+2*b,sin($0));
4252 sin(a)+sin(2*b)
4253 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4254 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4255 @end example
4256
4257 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4258 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4259 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4260
4261 @example
4262 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4263 @{0,0,0@}
4264   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4265   to "map(@{a,b,c@},0)".
4266 @end example
4267
4268
4269 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4270 @c    node-name, next, previous, up
4271 @section Visitors and Tree Traversal
4272 @cindex tree traversal
4273 @cindex @code{visitor} (class)
4274 @cindex @code{accept()}
4275 @cindex @code{visit()}
4276 @cindex @code{traverse()}
4277 @cindex @code{traverse_preorder()}
4278 @cindex @code{traverse_postorder()}
4279
4280 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4281 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4282 indices with variance you always want the covariant version returned.
4283
4284 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4285 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4286 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4287 with variance, one for plain ones).
4288
4289 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4290 such as the following:
4291
4292 @example
4293 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4294 @{
4295     if (is_a<varidx>(e)) @{
4296         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4297         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4298     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4299         l.append(e);
4300     @} else @{
4301         size_t n = e.nops();
4302         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4303             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4304     @}
4305 @}
4306
4307 lst gather_indices(const ex & e)
4308 @{
4309     lst l;
4310     gather_indices_helper(e, l);
4311     l.sort();
4312     l.unique();
4313     return l;
4314 @}
4315 @end example
4316
4317 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4318 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4319 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4320
4321 @example
4322     if (is_a<idx>(e)) @{
4323       ...
4324     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4325       ...
4326 @end example
4327
4328 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4329 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4330 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4331 executed.
4332
4333 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4334 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4335 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4336 write a function that required a different implementation for nearly
4337 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4338
4339 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4340 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4341 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4342 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4343 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4344 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4345 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4346 presented this would be impractical.
4347
4348 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4349 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4350 variation, described in detail in
4351 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4352 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4353 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4354 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4355 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4356 object that @code{accept()} was being invoked on.
4357
4358 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4359 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4360 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4361 each class.
4362
4363 A call of
4364
4365 @example
4366 void ex::accept(visitor & v) const;
4367 @end example
4368
4369 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4370 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4371 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4372
4373 Here is an example of a visitor:
4374
4375 @example
4376 class my_visitor
4377  : public visitor,          // this is required
4378    public add::visitor,     // visit add objects
4379    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4380    public basic::visitor    // visit basic objects
4381 @{
4382     void visit(const add & x)
4383     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4384
4385     void visit(const numeric & x)
4386     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4387
4388     void visit(const basic & x)
4389     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4390 @};
4391 @end example
4392
4393 which can be used as follows:
4394
4395 @example
4396 ...
4397     symbol x("x");
4398     ex e1 = 42;
4399     ex e2 = 4*x-3;
4400     ex e3 = 8*x;
4401
4402     my_visitor v;
4403     e1.accept(v);
4404      // prints "called with a numeric object"
4405     e2.accept(v);
4406      // prints "called with an add object"
4407     e3.accept(v);
4408      // prints "called with a basic object"
4409 ...
4410 @end example
4411
4412 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4413 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4414
4415 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4416 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4417 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4418 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4419 hierarchies of visitors.
4420
4421 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4422
4423 @example
4424 class gather_indices_visitor
4425  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4426 @{
4427     lst l;
4428
4429     void visit(const idx & i)
4430     @{
4431         l.append(i);
4432     @}
4433
4434     void visit(const varidx & vi)
4435     @{
4436         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4437     @}
4438
4439 public:
4440     const lst & get_result() // utility function
4441     @{
4442         l.sort();
4443         l.unique();
4444         return l;
4445     @}
4446 @};
4447 @end example
4448
4449 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4450 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4451
4452 @example
4453 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4454 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4455 void ex::traverse(visitor & v) const;
4456 @end example
4457
4458 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4459 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4460 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4461 @code{traverse_preorder()}.
4462
4463 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4464 and @code{traverse()}:
4465
4466 @example
4467 lst gather_indices(const ex & e)
4468 @{
4469     gather_indices_visitor v;
4470     e.traverse(v);
4471     return v.get_result();
4472 @}
4473 @end example
4474
4475 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4476 traversal:
4477
4478 @example
4479 lst gather_indices(const ex & e)
4480 @{
4481     gather_indices_visitor v;
4482     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4483          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4484         i->accept(v);
4485     @}
4486     return v.get_result();
4487 @}
4488 @end example
4489
4490
4491 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4492 @c    node-name, next, previous, up
4493 @section Polynomial arithmetic
4494
4495 @subsection Expanding and collecting
4496 @cindex @code{expand()}
4497 @cindex @code{collect()}
4498 @cindex @code{collect_common_factors()}
4499
4500 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4501 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4502 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4503 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4504 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4505 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4506 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4507 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4508 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4509 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4510 x*z}.
4511
4512 To bring an expression into expanded form, its method
4513
4514 @example
4515 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4516 @end example
4517
4518 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4519 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4520 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4521 orderings of terms in such sums!
4522
4523 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4524 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4525 being polynomials in the remaining variables.  The method
4526 @code{collect()} accomplishes this task:
4527
4528 @example
4529 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4530 @end example
4531
4532 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4533 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4534 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4535 by the @code{distributed} flag.
4536
4537 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4538 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4539 coefficients properly.
4540
4541 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4542 together with @code{find()}:
4543
4544 @example
4545 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4546 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)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4547 > collect(a,@{p,q@});
4548 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4549 > collect(a,find(a,sin($1)));
4550 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4551 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4552 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4553 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4554 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4555 @end example
4556
4557 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4558 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4559
4560 @example
4561 ex collect_common_factors(const ex & e);
4562 @end example
4563
4564 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4565 factors which are already explicitly present:
4566
4567 @example
4568 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4569 (x+y)*a
4570 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4571 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4572 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4573 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4574 @end example
4575
4576 @subsection Degree and coefficients
4577 @cindex @code{degree()}
4578 @cindex @code{ldegree()}
4579 @cindex @code{coeff()}
4580
4581 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4582 methods
4583
4584 @example
4585 int ex::degree(const ex & s);
4586 int ex::ldegree(const ex & s);
4587 @end example
4588
4589 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4590 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4591 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4592 an expanded polynomial you use
4593
4594 @example
4595 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4596 @end example
4597
4598 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4599
4600 @example
4601 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4602 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4603 @end example
4604
4605 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4606 respectively.
4607
4608 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4609 polynomial is analyzed:
4610
4611 @example
4612 @{
4613     symbol x("x"), y("y");
4614     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4615                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4616     ex Poly = PolyInp.expand();
4617     
4618     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4619         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4620              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4621     @}
4622     cout << "As polynomial in y: " 
4623          << Poly.collect(y) << endl;
4624 @}
4625 @end example
4626
4627 When run, it returns an output in the following fashion:
4628
4629 @example
4630 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4631 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4632 The x^2-coefficient is -1
4633 The x^3-coefficient is 4*y
4634 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4635 @end example
4636
4637 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4638 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4639 within the user's sphere of influence.
4640
4641 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4642 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4643 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4644 constants, functions and indexed objects as well:
4645
4646 @example
4647 @{
4648     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
4649     idx i(symbol("i"), 3);
4650
4651     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4652     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4653      // -> 4
4654     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4655      // -> -4*cos(x)
4656
4657     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4658     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4659     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4660      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4661 @}
4662 @end example
4663
4664
4665 @subsection Polynomial division
4666 @cindex polynomial division
4667 @cindex quotient
4668 @cindex remainder
4669 @cindex pseudo-remainder
4670 @cindex @code{quo()}
4671 @cindex @code{rem()}
4672 @cindex @code{prem()}
4673 @cindex @code{divide()}
4674
4675 The two functions
4676
4677 @example
4678 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4679 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4680 @end example
4681
4682 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4683 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4684
4685 The additional function
4686
4687 @example
4688 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4689 @end example
4690
4691 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4692 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4693
4694 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4695
4696 @example
4697 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4698 @end example
4699
4700 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4701 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4702 in which case the value of @code{q} is undefined.
4703
4704
4705 @subsection Unit, content and primitive part
4706 @cindex @code{unit()}
4707 @cindex @code{content()}
4708 @cindex @code{primpart()}
4709
4710 The methods
4711
4712 @example
4713 ex ex::unit(const ex & x);
4714 ex ex::content(const ex & x);
4715 ex ex::primpart(const ex & x);
4716 @end example
4717
4718 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4719 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4720 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4721 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4722 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4723 original polynomial.
4724
4725
4726 @subsection GCD and LCM
4727 @cindex GCD
4728 @cindex LCM
4729 @cindex @code{gcd()}
4730 @cindex @code{lcm()}
4731
4732 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4733 multiple have the synopsis
4734
4735 @example
4736 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4737 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4738 @end example
4739
4740 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4741 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4742 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4743 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4744 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4745
4746 @example
4747 #include <ginac/ginac.h>
4748 using namespace GiNaC;
4749
4750 int main()
4751 @{
4752     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4753     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4754     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4755
4756     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4757     // x + 5*y + 4*z
4758     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4759     // 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
4760 @}
4761 @end example
4762
4763
4764 @subsection Square-free decomposition
4765 @cindex square-free decomposition
4766 @cindex factorization
4767 @cindex @code{sqrfree()}
4768
4769 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4770 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4771 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4772 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4773 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4774 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4775 one, too:
4776 @example
4777 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4778 @end example
4779 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4780 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4781 some care with subsequent processing of the result:
4782 @example
4783     ...
4784     symbol x("x"), y("y");
4785     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4786
4787     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4788      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4789
4790     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4791      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4792
4793     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4794      // -> depending on luck, any of the above
4795     ...
4796 @end example
4797 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4798 with this method.
4799
4800
4801 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4802 @c    node-name, next, previous, up
4803 @section Rational expressions
4804
4805 @subsection The @code{normal} method
4806 @cindex @code{normal()}
4807 @cindex simplification
4808 @cindex temporary replacement
4809
4810 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4811 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4812 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4813 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4814 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4815 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4816
4817 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4818 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4819 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4820 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4821 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4822 @code{.to_rational()}, described below.
4823
4824 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4825 simplified in this little code snippet:
4826
4827 @example
4828 @{
4829     symbol x("x");
4830     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4831     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4832     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4833     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4834 @}
4835 @end example
4836
4837 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4838 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4839 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4840
4841
4842 @subsection Numerator and denominator
4843 @cindex numerator
4844 @cindex denominator
4845 @cindex @code{numer()}
4846 @cindex @code{denom()}
4847 @cindex @code{numer_denom()}
4848
4849 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4850
4851 @example
4852 ex ex::numer();
4853 ex ex::denom();
4854 ex ex::numer_denom();
4855 @end example
4856
4857 These functions will first normalize the expression as described above and
4858 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4859 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4860 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4861
4862
4863 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4864 @cindex @code{to_polynomial()}
4865 @cindex @code{to_rational()}
4866
4867 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4868 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4869 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4870 above. You do this by calling
4871
4872 @example
4873 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4874 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4875 @end example
4876 or
4877 @example
4878 ex ex::to_rational(exmap & m);
4879 ex ex::to_rational(lst & l);
4880 @end example
4881
4882 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4883 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4884 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4885 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4886 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4887 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4888
4889 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4890 is probably best illustrated with an example:
4891
4892 @example
4893 @{
4894     symbol x("x"), y("y");
4895     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4896     cout << a << endl;
4897
4898     lst lp;
4899     ex p = a.to_polynomial(lp);
4900     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4901      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4902      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4903
4904     lst lr;
4905     ex r = a.to_rational(lr);
4906     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4907      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4908      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4909 @}
4910 @end example
4911
4912 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4913
4914 @example
4915 @{
4916     symbol x("x");
4917     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4918     ex b = sin(x) + cos(x);
4919     ex q;
4920     exmap m;
4921     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4922     cout << q.subs(m) << endl;
4923 @}
4924 @end example
4925
4926
4927 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4928 @c    node-name, next, previous, up
4929 @section Symbolic differentiation
4930 @cindex differentiation
4931 @cindex @code{diff()}
4932 @cindex chain rule
4933 @cindex product rule
4934
4935 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4936 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4937 the derivatives of all the monomials:
4938
4939 @example
4940 @{
4941     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4942     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4943
4944     cout << P.diff(x,2) << endl;
4945      // -> 20*x^3 + 2
4946     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4947      // -> 1
4948     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4949      // -> 0
4950 @}
4951 @end example
4952
4953 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4954 returns the @var{n}th derivative.
4955
4956 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4957 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4958 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4959 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4960 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4961 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4962 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4963 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4964 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4965 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4966 lines:
4967
4968 @cindex Euler numbers
4969 @example
4970 #include <ginac/ginac.h>
4971 using namespace GiNaC;
4972
4973 ex EulerNumber(unsigned n)
4974 @{
4975     symbol x;
4976     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4977     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4978 @}
4979
4980 int main()
4981 @{
4982     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4983         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4984     return 0;
4985 @}
4986 @end example
4987
4988 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4989 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4990 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4991
4992
4993 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4994 @c    node-name, next, previous, up
4995 @section Series expansion
4996 @cindex @code{series()}
4997 @cindex Taylor expansion
4998 @cindex Laurent expansion
4999 @cindex @code{pseries} (class)
5000 @cindex @code{Order()}
5001
5002 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5003 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5004 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5005 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5006 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5007 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5008 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5009 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5010 term).  A sample application from special relativity could read:
5011
5012 @example
5013 #include <ginac/ginac.h>
5014 using namespace std;
5015 using namespace GiNaC;
5016
5017 int main()
5018 @{
5019     symbol v("v"), c("c");
5020     
5021     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5022     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5023     
5024     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5025          << mass_nonrel << endl;
5026     
5027     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5028          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5029 @}
5030 @end example
5031
5032 Only calling the series method makes the last output simplify to
5033 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5034 series raised to the power @math{-2}.
5035
5036 @cindex Machin's formula
5037 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5038 value of Archimedes' constant
5039 @tex
5040 $\pi$
5041 @end tex
5042 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5043 using John Machin's amazing formula
5044 @tex
5045 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5046 @end tex
5047 @ifnottex
5048 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5049 @end ifnottex
5050 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5051 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5052 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5053 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5054 order term with it and the question arises what the system is supposed
5055 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5056 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5057 term off:
5058
5059 @example
5060 #include <ginac/ginac.h>
5061 using namespace GiNaC;
5062
5063 ex machin_pi(int degr)
5064 @{
5065     symbol x;
5066     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5067     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5068                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5069     return pi_approx;
5070 @}
5071
5072 int main()
5073 @{
5074     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5075     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5076     ex pi_frac;
5077     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5078         pi_frac = machin_pi(i);
5079         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5080              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5081     @}
5082     return 0;
5083 @}
5084 @end example
5085
5086 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5087 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5088 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5089 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5090 program, it will type out:
5091
5092 @example
5093 2:      3804/1195
5094         3.1832635983263598326
5095 4:      5359397032/1706489875
5096         3.1405970293260603143
5097 6:      38279241713339684/12184551018734375
5098         3.141621029325034425
5099 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5100         3.141591772182177295
5101 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5102         3.1415926824043995174
5103 @end example
5104
5105
5106 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5107 @c    node-name, next, previous, up
5108 @section Symmetrization
5109 @cindex @code{symmetrize()}
5110 @cindex @code{antisymmetrize()}
5111 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5112
5113 The three methods
5114
5115 @example
5116 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5117 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5118 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5119 @end example
5120
5121 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5122 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5123 weighted by the number of permutations.
5124
5125 The three additional methods
5126
5127 @example
5128 ex ex::symmetrize();
5129 ex ex::antisymmetrize();
5130 ex ex::symmetrize_cyclic();
5131 @end example
5132
5133 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5134
5135 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5136 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5137
5138 @example
5139 @{
5140     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5141     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5142                                            
5143     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5144      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5145     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5146      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5147     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5148      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5149 @}
5150 @end example
5151
5152 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5153 @c    node-name, next, previous, up
5154 @section Predefined mathematical functions
5155 @c
5156 @subsection Overview
5157
5158 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5159
5160 @cartouche
5161 @multitable @columnfractions .30 .70
5162 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5163 @item @code{abs(x)}
5164 @tab absolute value
5165 @cindex @code{abs()}
5166 @item @code{csgn(x)}
5167 @tab complex sign
5168 @cindex @code{conjugate()}
5169 @item @code{conjugate(x)}
5170 @tab complex conjugation
5171 @cindex @code{csgn()}
5172 @item @code{sqrt(x)}
5173 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5174 @cindex @code{sqrt()}
5175 @item @code{sin(x)}
5176 @tab sine
5177 @cindex @code{sin()}
5178 @item @code{cos(x)}
5179 @tab cosine
5180 @cindex @code{cos()}
5181 @item @code{tan(x)}
5182 @tab tangent
5183 @cindex @code{tan()}
5184 @item @code{asin(x)}
5185 @tab inverse sine
5186 @cindex @code{asin()}
5187 @item @code{acos(x)}
5188 @tab inverse cosine
5189 @cindex @code{acos()}
5190 @item @code{atan(x)}
5191 @tab inverse tangent
5192 @cindex @code{atan()}
5193 @item @code{atan2(y, x)}
5194 @tab inverse tangent with two arguments
5195 @item @code{sinh(x)}
5196 @tab hyperbolic sine
5197 @cindex @code{sinh()}
5198 @item @code{cosh(x)}
5199 @tab hyperbolic cosine
5200 @cindex @code{cosh()}
5201 @item @code{tanh(x)}
5202 @tab hyperbolic tangent
5203 @cindex @code{tanh()}
5204 @item @code{asinh(x)}
5205 @tab inverse hyperbolic sine
5206 @cindex @code{asinh()}
5207 @item @code{acosh(x)}
5208 @tab inverse hyperbolic cosine
5209 @cindex @code{acosh()}
5210 @item @code{atanh(x)}
5211 @tab inverse hyperbolic tangent
5212 @cindex @code{atanh()}
5213 @item @code{exp(x)}
5214 @tab exponential function
5215 @cindex @code{exp()}
5216 @item @code{log(x)}
5217 @tab natural logarithm
5218 @cindex @code{log()}
5219 @item @code{Li2(x)}
5220 @tab dilogarithm
5221 @cindex @code{Li2()}
5222 @item @code{Li(m, x)}
5223 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5224 @cindex @code{Li()}
5225 @item @code{S(n, p, x)}
5226 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5227 @cindex @code{S()}
5228 @item @code{H(m, x)}
5229 @tab harmonic polylogarithm
5230 @cindex @code{H()}
5231 @item @code{zeta(m)}
5232 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5233 @cindex @code{zeta()}
5234 @item @code{zeta(m, s)}
5235 @tab alternating Euler sum
5236 @cindex @code{zeta()}
5237 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5238 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5239 @item @code{tgamma(x)}
5240 @tab gamma function
5241 @cindex @code{tgamma()}
5242 @cindex gamma function
5243 @item @code{lgamma(x)}
5244 @tab logarithm of gamma function
5245 @cindex @code{lgamma()}
5246 @item @code{beta(x, y)}
5247 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5248 @cindex @code{beta()}
5249 @item @code{psi(x)}
5250 @tab psi (digamma) function
5251 @cindex @code{psi()}
5252 @item @code{psi(n, x)}
5253 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5254 @item @code{factorial(n)}
5255 @tab factorial function @math{n!}
5256 @cindex @code{factorial()}
5257 @item @code{binomial(n, k)}
5258 @tab binomial coefficients
5259 @cindex @code{binomial()}
5260 @item @code{Order(x)}
5261 @tab order term function in truncated power series
5262 @cindex @code{Order()}
5263 @end multitable
5264 @end cartouche
5265
5266 @cindex branch cut
5267 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5268 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5269 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5270 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5271 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5272 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5273 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5274 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5275 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5276 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5277 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5278 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5279 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5280 compatible with C99.
5281
5282 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5283 @c    node-name, next, previous, up
5284 @subsection Multiple polylogarithms
5285
5286 @cindex polylogarithm
5287 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5288 @cindex harmonic polylogarithm
5289 @cindex multiple zeta value
5290 @cindex alternating Euler sum
5291 @cindex multiple polylogarithm
5292
5293 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5294 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5295 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5296 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5297 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5298 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5299
5300 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5301 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5302 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
5303
5304 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5305 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5306 for the argument @code{x} as well.
5307 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5308 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5309 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5310 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5311 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5312
5313 The functions print in LaTeX format as
5314 @tex
5315 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5316 @end tex
5317 @tex
5318 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5319 @end tex
5320 @tex
5321 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5322 @end tex
5323 @tex
5324 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5325 @end tex
5326 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5327 are printed with a line above, e.g.
5328 @tex
5329 $\zeta(5,\overline{2})$.
5330 @end tex
5331 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5332
5333 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5334 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5335 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5336 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5337
5338 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5339 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5340 the series representation. This means
5341 @tex
5342 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5343 @end tex
5344 @tex
5345 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5346 @end tex
5347 @tex
5348 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5349 @end tex
5350 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5351 is reversed.
5352
5353 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5354 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
5355 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
5356 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5357 @tex
5358 $\zeta(\overline{3},4)$.
5359 @end tex
5360 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5361 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5362 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
5363 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5364 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5365 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5366 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5367
5368 @example
5369 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5370 S(2,2,x)
5371 > H(@{-3,2@},1);
5372 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5373 > S(3,1,1);
5374 1/90*Pi^4
5375 @end example
5376
5377 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5378 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5379 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5380 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5381 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5382 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5383
5384 @example
5385 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5386 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5387 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5388 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5389 @end example
5390
5391 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
5392 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
5393 @tex
5394 $x_i$ the condition
5395 @end tex
5396 @tex
5397 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5398 @end tex
5399
5400 @example
5401 > Digits=100;
5402 100
5403 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5404 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5405 @end example
5406
5407 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5408 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5409
5410 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5411 unevaluated, e.g.
5412 @tex
5413 $\zeta(1)$.
5414 @end tex
5415 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5416 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5417 cancellations of divergencies happen.
5418
5419 Useful publications:
5420
5421 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5422 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5423
5424 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5425 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5426
5427 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5428 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5429
5430 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5431 @c    node-name, next, previous, up
5432 @section Complex Conjugation
5433 @c
5434 @cindex @code{conjugate()}
5435
5436 The method
5437
5438 @example
5439 ex ex::conjugate();
5440 @end example
5441
5442 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5443 conjugation gives the expected results:
5444
5445 @example
5446 @{
5447     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5448     symbol x("x");
5449     realsymbol y("y");
5450                                            
5451     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5452      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5453     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5454      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5455 @}
5456 @end example
5457
5458 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5459 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5460 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5461 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5462 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5463
5464 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5465 @c    node-name, next, previous, up
5466 @section Solving Linear Systems of Equations
5467 @cindex @code{lsolve()}
5468
5469 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5470 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5471 needs to be solved:
5472
5473 @example
5474 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5475 @end example
5476
5477 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5478 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5479 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5480 @code{lst}).
5481
5482 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5483 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5484
5485 @example
5486 @{
5487     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5488     lst eqns, vars;
5489     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5490     vars = x, y;
5491     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5492      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5493 @end example
5494
5495 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5496 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5497 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5498 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5499 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5500 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5501 around that method.
5502
5503
5504 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5505 @c    node-name, next, previous, up
5506 @section Input and output of expressions
5507 @cindex I/O
5508
5509 @subsection Expression output
5510 @cindex printing
5511 @cindex output of expressions
5512
5513 Expressions can simply be written to any stream:
5514
5515 @example
5516 @{
5517     symbol x("x");
5518     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5519     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5520     // ...
5521 @end example
5522
5523 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5524 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5525 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5526 is printed as @samp{x^2}).
5527
5528 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5529 a set of stream manipulators;
5530
5531 @example
5532 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5533 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5534 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5535 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5536 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5537 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5538 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5539 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5540 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5541 @end example
5542
5543 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5544 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5545 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5546
5547 @cindex @code{dflt}
5548 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5549 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5550
5551 @example
5552     // ...
5553     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5554     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5555     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5556     cout << dflt;             // revert to default output format
5557     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5558     // ...
5559 @end example
5560
5561 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5562 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5563
5564 @example
5565     // ...
5566     ostringstream s;
5567     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5568     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5569     // ...
5570 @end example
5571
5572 @cindex @code{csrc}
5573 @cindex @code{csrc_float}
5574 @cindex @code{csrc_double}
5575 @cindex @code{csrc_cl_N}
5576 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5577 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5578 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5579 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5580 classes provided by the CLN library):
5581
5582 @example
5583     // ...
5584     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5585     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5586     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5587     // ...
5588 @end example
5589
5590 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5591 @code{x*x}):
5592
5593 @example
5594 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5595 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5596 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5597 @end example
5598
5599 @cindex @code{tree}
5600 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5601 expression for debugging purposes:
5602
5603 @example
5604     // ...
5605     cout << tree << e;
5606 @}
5607 @end example
5608
5609 produces
5610
5611 @example
5612 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5613     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5614         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5615         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5616     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5617     -----
5618     overall_coeff
5619     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5620     =====
5621 @end example
5622
5623 @cindex @code{latex}
5624 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5625 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5626 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5627 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5628 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5629 constructor.
5630
5631 For example, the code snippet
5632
5633 @example
5634 @{
5635     symbol x("x", "\\circ");
5636     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5637     cout << latex << e << endl;
5638 @}
5639 @end example
5640
5641 will print
5642
5643 @example
5644     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5645 @end example
5646
5647 @cindex @code{index_dimensions}
5648 @cindex @code{no_index_dimensions}
5649 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5650 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5651 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5652 formats:
5653
5654 @example
5655 @{
5656     symbol x("x"), y("y");
5657     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5658     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5659
5660     cout << e << endl;
5661      // prints 'x~mu*y~nu'
5662     cout << index_dimensions << e << endl;
5663      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5664     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5665      // prints 'x~mu*y~nu'
5666 @}
5667 @end example
5668
5669
5670 @cindex Tree traversal
5671 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5672 with other algebra systems or for producing code for different
5673 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5674
5675 @example
5676 static void my_print(const ex & e)
5677 @{
5678     if (is_a<function>(e))
5679         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5680     else
5681         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5682     cout << "(";
5683     size_t n = e.nops();
5684     if (n)
5685         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5686             my_print(e.op(i));
5687             if (i != n-1)
5688                 cout << ",";
5689         @}
5690     else
5691         cout << e;
5692     cout << ")";
5693 @}
5694
5695 int main()
5696 @{
5697     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5698     return 0;
5699 @}
5700 @end example
5701
5702 This will produce
5703
5704 @example
5705 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5706 symbol(y))),numeric(-2)))
5707 @end example
5708
5709 If you need an output format that makes it possible to accurately
5710 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5711 object factory, you should consider storing the expression in an
5712 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5713 See the section on archiving for more information.
5714
5715
5716 @subsection Expression input
5717 @cindex input of expressions
5718
5719 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5720 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5721 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5722 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5723 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5724
5725 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5726 list of symbols to be used:
5727
5728 @example
5729 @{
5730     symbol x("x"), y("y");
5731     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5732 @}
5733 @end example
5734
5735 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5736 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5737 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5738 the list it will throw an exception.
5739
5740 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5741
5742 @example
5743 #include <iostream>
5744 #include <string>
5745 #include <stdexcept>
5746 #include <ginac/ginac.h>
5747 using namespace std;
5748 using namespace GiNaC;
5749
5750 int main()
5751 @{
5752     symbol x("x");
5753     string s;
5754
5755     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5756     getline(cin, s);
5757
5758     try @{
5759         ex e(s, lst(x));
5760         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5761         cout << e.diff(x) << ".\n";
5762     @} catch (exception &p) @{
5763         cerr << p.what() << endl;
5764     @}
5765 @}
5766 @end example
5767
5768
5769 @subsection Archiving
5770 @cindex @code{archive} (class)
5771 @cindex archiving
5772
5773 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5774 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5775 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5776 expression a unique name:
5777
5778 @example
5779 #include <fstream>
5780 using namespace std;
5781 #include <ginac/ginac.h>
5782 using namespace GiNaC;
5783
5784 int main()
5785 @{
5786     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5787
5788     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5789     ex bar = foo + 1;
5790
5791     archive a;
5792     a.archive_ex(foo, "foo");
5793     a.archive_ex(bar, "the second one");
5794     // ...
5795 @end example
5796
5797 The archive can then be written to a file:
5798
5799 @example
5800     // ...
5801     ofstream out("foobar.gar");
5802     out << a;
5803     out.close();
5804     // ...
5805 @end example
5806
5807 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5808 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5809
5810 @cindex @command{viewgar}
5811 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5812 the contents of GiNaC archive files:
5813
5814 @example
5815 $ viewgar foobar.gar
5816 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5817 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5818 @end example
5819
5820 The point of writing archive files is of course that they can later be
5821 read in again:
5822
5823 @example
5824     // ...
5825     archive a2;
5826     ifstream in("foobar.gar");
5827     in >> a2;
5828     // ...
5829 @end example
5830
5831 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5832
5833 @example
5834     // ...
5835     lst syms;
5836     syms = x, y;
5837
5838     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5839     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5840
5841     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5842     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5843     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5844 @}
5845 @end example
5846
5847 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5848 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5849 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5850 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5851 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5852 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5853 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5854 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5855
5856 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5857 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5858 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5859 functions that let you access the stored properties:
5860
5861 @example
5862 static void my_print2(const archive_node & n)
5863 @{
5864     string class_name;
5865     n.find_string("class", class_name);
5866     cout << class_name << "(";
5867
5868     archive_node::propinfovector p;
5869     n.get_properties(p);
5870
5871     size_t num = p.size();
5872     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5873         const string &name = p[i].name;
5874         if (name == "class")
5875             continue;
5876         cout << name << "=";
5877
5878         unsigned count = p[i].count;
5879         if (count > 1)
5880             cout << "@{";
5881
5882         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5883             switch (p[i].type) @{
5884                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5885                     bool x;
5886                     n.find_bool(name, x, j);
5887                     cout << (x ? "true" : "false");
5888                     break;
5889                 @}
5890                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5891                     unsigned x;
5892                     n.find_unsigned(name, x, j);
5893                     cout << x;
5894                     break;
5895                 @}
5896                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5897                     string x;
5898                     n.find_string(name, x, j);
5899                     cout << '\"' << x << '\"';
5900                     break;
5901                 @}
5902                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5903                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5904                     my_print2(x);
5905                     break;
5906                 @}
5907             @}
5908
5909             if (j != count-1)
5910                 cout << ",";
5911         @}
5912
5913         if (count > 1)
5914             cout << "@}";
5915
5916         if (i != num-1)
5917             cout << ",";
5918     @}
5919
5920     cout << ")";
5921 @}
5922
5923 int main()
5924 @{
5925     ex e = pow(2, x) - y;
5926     archive ar(e, "e");
5927     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5928     return 0;
5929 @}
5930 @end example
5931
5932 This will produce:
5933
5934 @example
5935 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5936 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5937 overall_coeff=numeric(number="0"))
5938 @end example
5939
5940 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5941 class may change between GiNaC versions.
5942
5943
5944 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5945 @c    node-name, next, previous, up
5946 @chapter Extending GiNaC
5947
5948 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5949 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
5950 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5951 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5952 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5953 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5954
5955 @menu
5956 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5957 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5958 * Printing::                         Adding new output formats.
5959 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5960 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5961 @end menu
5962
5963
5964 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5965 @c    node-name, next, previous, up
5966 @section What doesn't belong into GiNaC
5967
5968 @cindex @command{ginsh}
5969 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5970 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5971 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5972 language.  There are no loops or conditional expressions in
5973 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5974 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5975 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5976 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5977 the future.
5978
5979 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5980 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5981 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5982 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5983 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5984 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5985 provided by CLN are much better suited.
5986
5987
5988 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5989 @c    node-name, next, previous, up
5990 @section Symbolic functions
5991
5992 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5993 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5994 two preprocessor macros:
5995
5996 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5997 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5998 @example
5999 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6000 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6001 @end example
6002
6003 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6004 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6005 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6006 @code{function} object that represents your function.
6007
6008 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6009 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6010 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6011 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6012 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6013 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6014 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6015 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6016
6017 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6018 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6019 done our best to avoid macros where we can.)
6020
6021 @subsection A minimal example
6022
6023 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6024 that is not further evaluated:
6025
6026 @example
6027 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6028
6029 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6030 @end example
6031
6032 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6033 in algebraic expressions:
6034
6035 @example
6036 @{
6037     ...
6038     symbol x("x");
6039     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6040     cout << e << endl;
6041      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6042     ...
6043 @}
6044 @end example
6045
6046 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6047 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6048 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6049 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6050
6051 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6052 example of how to make an "intelligent" function.
6053
6054 @subsection The cosine function
6055
6056 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6057
6058 @example
6059 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6060 @end example
6061
6062 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6063 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6064 this function in expressions.
6065
6066 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6067 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6068
6069 @example
6070 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6071                        evalf_func(cos_evalf).
6072                        derivative_func(cos_deriv).
6073                        latex_name("\\cos"));
6074 @end example
6075
6076 There are four options defined for the cosine function. One of them
6077 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6078 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6079 function are defined.
6080
6081 @cindex @code{hold()}
6082 @cindex evaluation
6083 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6084 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6085 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6086 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6087 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6088 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6089 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6090 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6091 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6092 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6093 somewhere.
6094
6095 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6096 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6097 what is going on):
6098
6099 @example
6100 static ex cos_eval(const ex & x)
6101 @{
6102     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6103         return 1;
6104     else if ("x is a multiple of Pi")
6105         return -1;
6106     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6107         return 0;
6108     // more rules...
6109
6110     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6111         return y;
6112     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6113         return sqrt(1-y^2);
6114     // more rules...
6115
6116     else
6117         return cos(x).hold();
6118 @}
6119 @end example
6120
6121 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6122
6123 @example
6124 @{
6125     ...
6126     e = cos(Pi);
6127      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6128      // the actual expression
6129     cout << e << endl;
6130      // prints '-1'
6131     ...
6132 @}
6133 @end example
6134
6135 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6136 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6137 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6138 with @code{.hold()}.
6139
6140 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6141 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6142 different function:
6143
6144 @example
6145 static ex cos_evalf(const ex & x)
6146 @{
6147     if (is_a<numeric>(x))
6148         return cos(ex_to<numeric>(x));
6149     else
6150         return cos(x).hold();
6151 @}
6152 @end example
6153
6154 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6155 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6156 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6157 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6158 function would require it in this place.
6159
6160 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6161 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6162 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6163 @code{ex::diff}):
6164
6165 @example
6166 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6167 @{
6168     return -sin(x);
6169 @}
6170 @end example
6171
6172 @cindex product rule
6173 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6174 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6175 case the function has more than one parameter, and its main application
6176 is for correct handling of the chain rule.
6177
6178 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6179 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6180 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6181 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6182
6183 @example
6184 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6185                      int order, unsigned options)
6186 @{
6187     // Find the actual expansion point
6188     const ex x_pt = x.subs(rel);
6189
6190     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6191         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6192
6193     // On a pole, expand sin()/cos()
6194     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6195 @}
6196 @end example
6197
6198 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6199 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6200
6201 @subsection Function options
6202
6203 GiNaC functions understand several more options which are always
6204 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6205 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6206 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6207 functions without any special options.
6208
6209 @example
6210 eval_func(<C++ function>)
6211 evalf_func(<C++ function>)
6212 derivative_func(<C++ function>)
6213 series_func(<C++ function>)
6214 conjugate_func(<C++ function>)
6215 @end example
6216
6217 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6218 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6219 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6220 @code{diff()} and @code{series()}.
6221
6222 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6223 automatic evaluation is desired or possible.
6224
6225 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6226 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6227 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6228 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6229 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6230 suitable transformation.
6231
6232 @example
6233 latex_name(const string & n)
6234 @end example
6235
6236 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6237 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6238
6239 @example
6240 do_not_evalf_params()
6241 @end example
6242
6243 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6244 function before calling the @code{evalf_func()}.
6245
6246 @example
6247 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6248 @end example
6249
6250 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6251 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6252 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6253 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6254 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6255 commutation properties of their first argument.
6256
6257 @example
6258 set_symmetry(const symmetry & s)
6259 @end example
6260
6261 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6262 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6263 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6264 symmetric functions into a canonical order.
6265
6266 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6267 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6268 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6269 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6270 with the
6271
6272 @example
6273 print_func<C>(<C++ function>)
6274 @end example
6275
6276 option which is explained in the next section.
6277
6278
6279 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6280 @c    node-name, next, previous, up
6281 @section GiNaC's expression output system
6282
6283 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6284 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6285 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6286 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6287 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6288 functions.
6289
6290 @cindex @code{print_context} (class)
6291 @cindex @code{print_dflt} (class)
6292 @cindex @code{print_latex} (class)
6293 @cindex @code{print_tree} (class)
6294 @cindex @code{print_csrc} (class)
6295 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6296 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6297 header file:
6298
6299 @table @code
6300 @item print_dflt
6301 the default output format
6302 @item print_latex
6303 output in LaTeX mathematical mode
6304 @item print_tree
6305 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6306 @item print_csrc
6307 the base class for C source output
6308 @item print_csrc_float
6309 C source output using the @code{float} type
6310 @item print_csrc_double
6311 C source output using the @code{double} type
6312 @item print_csrc_cl_N
6313 C source output using CLN types
6314 @end table
6315
6316 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6317
6318 @example
6319 class print_context
6320 @{
6321     ...
6322 public:
6323     std::ostream & s;
6324     unsigned options;
6325 @};
6326 @end example
6327
6328 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6329 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6330 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6331 to print the index dimension which is normally hidden.
6332
6333 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6334 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6335 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6336 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6337
6338 @cindex @code{print()}
6339 @example
6340 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6341 @end example
6342
6343 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6344 top-level algebraic object contained in the expression.
6345
6346 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6347 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6348 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6349 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6350 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6351 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6352 (single) virtual function dispatch.
6353
6354 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6355 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6356 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6357 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6358 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6359 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6360 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6361 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6362 object's class name enclosed in square brackets).
6363
6364 You can think of the print methods of all the different classes and output
6365 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6366 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6367 classes.
6368
6369 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6370 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6371 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6372 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6373 methods at run-time).
6374
6375 @subsection Print methods for classes
6376
6377 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6378 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6379 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6380 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6381 can also be used to override existing methods dynamically.
6382
6383 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6384 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6385 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6386 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6387 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6388 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6389 the class is the one being implemented by
6390 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6391
6392 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6393 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6394 @code{unsigned}.
6395
6396 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6397 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6398 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6399 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6400 private and protected members of @code{T}.
6401
6402 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6403 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6404 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6405 purposes if you write your own output formats.
6406
6407 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6408 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6409 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6410 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6411
6412 @example
6413 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6414                              const print_latex & c,
6415                              unsigned level)
6416 @{
6417     // get the precedence of the 'power' class
6418     unsigned power_prec = p.precedence();
6419
6420     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6421     // we need parentheses around the power
6422     if (level >= power_prec)
6423         c.s << '(';
6424
6425     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6426     // separated by an uparrow
6427     c.s << '@{';
6428     p.op(0).print(c, power_prec);
6429     c.s << "@}\\uparrow@{";
6430     p.op(1).print(c, power_prec);
6431     c.s << '@}';
6432
6433     // don't forget the closing parenthesis
6434     if (level >= power_prec)
6435         c.s << ')';
6436 @}
6437                                                                                 
6438 int main()
6439 @{
6440     // a sample expression
6441     symbol x("x"), y("y");
6442     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6443
6444     // switch to LaTeX mode
6445     cout << latex;
6446
6447     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6448     cout << e << endl;
6449
6450     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6451     // our own one
6452     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6453
6454     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6455     cout << e << endl;
6456 @}
6457 @end example
6458
6459 Some notes:
6460
6461 @itemize
6462
6463 @item
6464 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6465 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6466
6467 @item
6468 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6469 @code{power} objects for the purpose of printing.
6470
6471 @item
6472 The output of products including negative powers as fractions is also
6473 controlled by the @code{mul} class.
6474
6475 @item
6476 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6477 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6478
6479 @end itemize
6480
6481 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6482 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6483 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6484 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6485 sources, find the method that is installed at startup
6486 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6487 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6488
6489 @subsection Print methods for functions
6490
6491 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6492 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6493 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6494 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6495 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6496
6497 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6498
6499 @example
6500 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6501 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6502                                                                                 
6503 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6504 @{
6505     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6506 @}
6507                                                                                 
6508 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6509 @{
6510     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6511 @}
6512                                                                                 
6513 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6514                        evalf_func(abs_evalf).
6515                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6516                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6517                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6518 @end example
6519
6520 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6521 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6522
6523 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6524
6525 @subsection Adding new output formats
6526
6527 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6528 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6529 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6530 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6531 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6532 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6533 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6534 options value.
6535
6536 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6537
6538 @example
6539 class print_myformat : public print_dflt
6540 @{
6541     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6542 public:
6543     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6544      : print_dflt(os, opt) @{@}
6545 @};
6546
6547 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6548
6549 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6550 @end example
6551
6552 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6553 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6554 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6555 format are implemented as print methods, as described above.
6556
6557 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6558 exactly like GiNaC's default output format:
6559
6560 @example
6561 @{
6562     symbol x("x");
6563     ex e = pow(x, 2) + 1;
6564
6565     // this prints "1+x^2"
6566     cout << e << endl;
6567     
6568     // this also prints "1+x^2"
6569     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6570
6571     ...
6572 @}
6573 @end example
6574
6575 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6576 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6577
6578 @example
6579 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6580 // example above for explanations.
6581 void print_power_as_myformat(const power & p,
6582                              const print_myformat & c,
6583                              unsigned level)
6584 @{
6585     unsigned power_prec = p.precedence();
6586     if (level >= power_prec)
6587         c.s << '(';
6588     p.op(0).print(c, power_prec);
6589     c.s << "**";
6590     p.op(1).print(c, power_prec);
6591     if (level >= power_prec)
6592         c.s << ')';
6593 @}
6594
6595 @{
6596     ...
6597     // install a new print method for power objects
6598     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6599
6600     // now this prints "1+x**2"
6601     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6602
6603     // but the default format is still "1+x^2"
6604     cout << e << endl;
6605 @}
6606 @end example
6607
6608
6609 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6610 @c    node-name, next, previous, up
6611 @section Structures
6612
6613 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6614 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6615 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6616 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6617 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6618
6619 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6620 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6621 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6622 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6623 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6624 read both sections because many common concepts and member functions are
6625 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6626 is most suited to your needs.
6627
6628 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6629 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6630 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6631
6632 @subsection Example: scalar products
6633
6634 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6635 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6636 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6637 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6638 product in a C++ @code{struct}:
6639
6640 @example
6641 #include <iostream>
6642 using namespace std;
6643
6644 #include <ginac/ginac.h>
6645 using namespace GiNaC;
6646
6647 struct sprod_s @{
6648     ex left, right;
6649
6650     sprod_s() @{@}
6651     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6652 @};
6653 @end example
6654
6655 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6656 data structure, we need only one line:
6657
6658 @example
6659 typedef structure<sprod_s> sprod;
6660 @end example
6661
6662 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6663 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6664 expressions like any other GiNaC class:
6665
6666 @example
6667 ...
6668     symbol a("a"), b("b");
6669     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6670 ...
6671 @end example
6672
6673 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6674 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6675 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6676 constructed from an @code{sprod_s} object.
6677
6678 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6679 you could define a little wrapper function like this:
6680
6681 @example
6682 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6683 @{
6684     return sprod(sprod_s(left, right));
6685 @}
6686 @end example
6687
6688 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6689 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6690 @code{get_struct()}:
6691
6692 @example
6693 ...
6694     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6695      // -> a
6696     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6697      // -> b
6698 ...
6699 @end example
6700
6701 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6702
6703 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6704 that deal with scalar products, for example:
6705
6706 @example
6707 ex swap_sprod(ex p)
6708 @{
6709     if (is_a<sprod>(p)) @{
6710         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6711         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6712     @} else
6713         return p;
6714 @}
6715
6716 ...
6717     f = swap_sprod(e);
6718      // f is now <b|a>
6719 ...
6720 @end example
6721
6722 @subsection Structure output
6723
6724 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6725 desired, most notably proper output:
6726
6727 @example
6728 ...
6729     cout << e << endl;
6730      // -> [structure object]
6731 ...
6732 @end example
6733
6734 By default, any structure types you define will be printed as
6735 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6736 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6737 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6738 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6739 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6740 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6741
6742 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6743 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6744
6745 @example
6746 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6747 @{
6748     // tree debug output handled by superclass
6749     if (is_a<print_tree>(c))
6750         inherited::print(c, level);
6751
6752     // get the contained sprod_s object
6753     const sprod_s & sp = get_struct();
6754
6755     // print_context::s is a reference to an ostream
6756     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6757 @}
6758 @end example
6759
6760 Now we can print expressions containing scalar products:
6761
6762 @example
6763 ...
6764     cout << e << endl;
6765      // -> <a|b>
6766     cout << swap_sprod(e) << endl;
6767      // -> <b|a>
6768 ...
6769 @end example
6770
6771 @subsection Comparing structures
6772
6773 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6774 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6775 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6776 and undesired behavior:
6777
6778 @example
6779 ...
6780     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6781      // -> 0
6782     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6783      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6784 ...
6785 @end example
6786
6787 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6788 for objects of type @code{sprod_s}:
6789
6790 @example
6791 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6792 @{
6793     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6794 @}
6795
6796 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6797 @{
6798     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6799 @}
6800 @end example
6801
6802 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6803 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6804 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6805 in the implementation of these operators because they would construct
6806 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6807 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6808 decide which one is algebraically 'less').
6809
6810 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6811 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6812
6813 @example
6814 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6815 @end example
6816
6817 @code{sprod} objects then behave as expected:
6818
6819 @example
6820 ...
6821     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6822      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6823     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6824      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6825     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6826      // -> 0
6827     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6828      // -> 2*<a|b>
6829 ...
6830 @end example
6831
6832 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6833 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6834 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6835 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6836 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6837 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6838
6839 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6840 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6841 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6842 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6843 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6844 undefined value) that the @code{T} class might have.
6845
6846 @subsection Subexpressions
6847
6848 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6849 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6850 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6851
6852 @example
6853 size_t sprod::nops() const
6854 @{
6855     return 2;
6856 @}
6857
6858 ex sprod::op(size_t i) const
6859 @{
6860     switch (i) @{
6861     case 0:
6862         return get_struct().left;
6863     case 1:
6864         return get_struct().right;
6865     default:
6866         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
6867     @}
6868 @}
6869 @end example
6870
6871 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
6872 @code{sprod} has two other nice side effects:
6873
6874 @itemize @bullet
6875 @item
6876 @code{has()} works as expected
6877 @item
6878 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
6879 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
6880 @end itemize
6881
6882 @cindex @code{let_op()}
6883 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
6884 allows replacing subexpressions:
6885
6886 @example
6887 ex & sprod::let_op(size_t i)
6888 @{
6889     // every non-const member function must call this
6890     ensure_if_modifiable();
6891
6892     switch (i) @{
6893     case 0:
6894         return get_struct().left;
6895     case 1:
6896         return get_struct().right;
6897     default:
6898         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
6899     @}
6900 @}
6901 @end example
6902
6903 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
6904 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
6905 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
6906 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
6907
6908 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
6909 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
6910 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
6911 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
6912 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
6913 This is left as an exercise for the reader.
6914
6915 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
6916 you can override by specialization to customize the behavior of your
6917 structures. You are referred to the next section for a description of
6918 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
6919 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
6920 @code{structure<T>} template: archiving.
6921
6922 @subsection Archiving structures
6923
6924 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
6925 should first read the next section and then come back here. You're back?
6926 Good.
6927
6928 To implement archiving for structures it is not enough to provide
6929 specializations for the @code{archive()} member function and the
6930 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
6931 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
6932 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
6933 the class of an object is stored as a string, the class name.
6934
6935 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
6936 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
6937 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
6938 need to provide a different name for each by specializing the
6939 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
6940 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
6941
6942 @example
6943 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
6944
6945 void sprod::archive(archive_node & n) const
6946 @{
6947     inherited::archive(n);
6948     n.add_ex("left", get_struct().left);
6949     n.add_ex("right", get_struct().right);
6950 @}
6951
6952 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6953 @{
6954     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
6955     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
6956 @}
6957 @end example
6958
6959 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
6960 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
6961 @code{sprod::unarchive()} function.
6962
6963
6964 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
6965 @c    node-name, next, previous, up
6966 @section Adding classes
6967
6968 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
6969 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
6970 severe of which being that you can't add any new member functions to
6971 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
6972 from scratch.
6973
6974 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
6975 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
6976 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
6977 required member functions are that you have to implement. We only cover the
6978 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
6979 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
6980 representing tensor products is more involved but this section should give
6981 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
6982 classes if you want to implement something more complicated.
6983
6984 @subsection GiNaC's run-time type information system
6985
6986 @cindex hierarchy of classes
6987 @cindex RTTI
6988 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
6989 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
6990 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
6991 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
6992 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
6993 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
6994 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
6995 system that provides this kind of information is called a run-time type
6996 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
6997 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
6998 implements its own, simpler RTTI.
6999
7000 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7001
7002 @itemize @bullet
7003
7004 @item
7005 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7006 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7007 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7008 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7009
7010 @item
7011 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7012 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7013 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7014 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7015 @file{registrar.h} header file.
7016
7017 @end itemize
7018
7019 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7020 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7021 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7022 macros.
7023
7024 @subsection A minimalistic example
7025
7026 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7027 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7028 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7029 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7030 for your own classes.
7031
7032 The code snippets given here assume that you have included some header files
7033 as follows:
7034
7035 @example
7036 #include <iostream>
7037 #include <string>   
7038 #include <stdexcept>
7039 using namespace std;
7040
7041 #include <ginac/ginac.h>
7042 using namespace GiNaC;
7043 @end example
7044
7045 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7046 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7047 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7048 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7049 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7050 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7051
7052 @example
7053 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7054 @end example
7055
7056 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7057 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7058 object from a C or C++ string:
7059
7060 @example
7061 class mystring : public basic
7062 @{
7063     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7064   
7065 public:
7066     mystring(const string &s);
7067     mystring(const char *s);
7068
7069 private:
7070     string str;
7071 @};
7072
7073 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7074 @end example
7075
7076 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7077 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7078 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7079 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7080 the first line after the opening brace of the class definition. The
7081 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7082 source (at global scope, of course, not inside a function).
7083
7084 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7085 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7086 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7087 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7088 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7089 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7090 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7091 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7092
7093 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7094 class:
7095
7096 @itemize
7097
7098 @item
7099 @code{mystring()}, the default constructor.
7100
7101 @item
7102 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7103 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7104 @code{archive_node}.
7105
7106 @item
7107 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7108 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7109 found in an @code{archive_node}.
7110
7111 @item
7112 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7113 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7114 constructor.
7115
7116 @item
7117 @cindex @code{compare_same_type()}
7118 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7119 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7120 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7121 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7122 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7123 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7124 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7125 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7126 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7127 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7128 defined.
7129
7130 @item
7131 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7132 which are the two constructors we declared.
7133
7134 @end itemize
7135
7136 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7137
7138 @example
7139 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7140 @end example
7141
7142 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7143 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7144 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7145 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7146 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7147 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7148 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7149 to the right value manually.
7150
7151 In the default constructor you should set all other member variables to
7152 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7153 member gets set to an empty string automatically).
7154
7155 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7156 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7157 is really simple.  First, the archiving function:
7158
7159 @example
7160 void mystring::archive(archive_node &n) const
7161 @{
7162     inherited::archive(n);
7163     n.add_string("string", str);
7164 @}
7165 @end example
7166
7167 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7168 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7169 deem necessary for representing the object into the passed
7170 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7171 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7172 file.
7173
7174 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7175 function:
7176
7177 @example
7178 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7179 @{
7180     n.find_string("string", str);
7181 @}
7182 @end example
7183
7184 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7185 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7186 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7187 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7188
7189 Finally, the unarchiving function:
7190
7191 @example
7192 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7193 @{
7194     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7195 @}
7196 @end example
7197
7198 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7199 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7200 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7201 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7202 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7203 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7204 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7205 automatically once it is no longer referenced.
7206
7207 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7208 the string members:
7209
7210 @example
7211 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7212 @{
7213     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7214     int cmpval = str.compare(o.str);
7215     if (cmpval == 0)
7216         return 0;
7217     else if (cmpval < 0)
7218         return -1;
7219     else
7220         return 1;
7221 @}
7222 @end example
7223
7224 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7225 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7226 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7227 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7228 all relevant member variables.
7229
7230 Now the only thing missing is our two new constructors:
7231
7232 @example
7233 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7234 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7235 @end example
7236
7237 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7238 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7239
7240 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7241 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7242
7243 @example
7244 ex e = mystring("Hello, world!");
7245 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7246  // -> 1 (true)
7247
7248 cout << e.bp->class_name() << endl;
7249  // -> mystring
7250 @end example
7251
7252 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7253
7254 @example
7255 cout << e << endl;
7256  // -> [mystring object]
7257 @end example
7258
7259 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7260 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7261 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7262 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7263 surrounded by double quotes:
7264
7265 @example
7266 class mystring : public basic
7267 @{
7268     ...
7269 protected:
7270     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7271     ...
7272 @};
7273
7274 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7275 @{
7276     // print_context::s is a reference to an ostream
7277     c.s << '\"' << str << '\"';
7278 @}
7279 @end example
7280
7281 The @code{level} argument is only required for container classes to
7282 correctly parenthesize the output.
7283
7284 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7285 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7286 replace the line
7287
7288 @example
7289 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7290 @end example
7291
7292 with
7293
7294 @example
7295 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7296   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7297 @end example
7298
7299 Let's try again to print the expression:
7300
7301 @example
7302 cout << e << endl;
7303  // -> "Hello, world!"
7304 @end example
7305
7306 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7307 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7308 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7309 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7310 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7311 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7312 way expression output is implemented in GiNaC.
7313
7314 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7315
7316 @example
7317 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7318 cout << e << endl;
7319  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7320 @end example
7321
7322 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7323
7324 @example
7325 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7326 cout << e << endl;
7327  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7328 @end example
7329
7330 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7331 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7332 for your objects.
7333
7334 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7335
7336 @example
7337 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7338 cout << e << endl;
7339  // -> "Wow"^2
7340
7341 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7342 cout << e.expand() << endl;
7343  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7344 @end example
7345
7346 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7347 concatenation. You would have to implement this yourself.
7348
7349 @subsection Automatic evaluation
7350
7351 @cindex evaluation
7352 @cindex @code{eval()}
7353 @cindex @code{hold()}
7354 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7355 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7356 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7357 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7358 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7359 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7360
7361 @example
7362 class mystring : public basic
7363 @{
7364     ...
7365 public:
7366     ex eval(int level = 0) const;
7367     ...
7368 @};
7369
7370 ex mystring::eval(int level) const
7371 @{
7372     string new_str;
7373     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7374         char c = str[i];
7375         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7376             new_str += tolower(c);
7377         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7378             new_str += c;
7379     @}
7380
7381     if (new_str.length() == 0)
7382         return 0;
7383     else
7384         return mystring(new_str).hold();
7385 @}
7386 @end example
7387
7388 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7389 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7390 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7391 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7392 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7393 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7394 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7395 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7396
7397 Let's confirm that it works:
7398
7399 @example
7400 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7401 cout << e << endl;
7402  // -> "helloworld"
7403
7404 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7405 cout << e << endl;
7406  // -> 3*"wow"
7407 @end example
7408
7409 @subsection Optional member functions
7410
7411 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7412 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7413 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7414
7415 @cindex @code{calchash()}
7416 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7417 @example
7418 unsigned calchash() const;
7419 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7420 @end example
7421
7422 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7423 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7424 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7425 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7426 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7427 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7428
7429 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7430 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7431 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7432 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7433
7434 @subsection Other member functions
7435
7436 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7437 might want to provide:
7438
7439 @example
7440 bool info(unsigned inf) const;
7441 ex evalf(int level = 0) const;
7442 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7443 ex derivative(const symbol & s) const;
7444 @end example
7445
7446 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7447 previous section) you will probably want to override
7448
7449 @cindex @code{let_op()}
7450 @example
7451 size_t nops() cont;
7452 ex op(size_t i) const;
7453 ex & let_op(size_t i);
7454 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7455 ex map(map_function & f) const;
7456 @end example
7457
7458 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7459 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7460 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7461
7462 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7463 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7464 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7465 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7466 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7467 should become a need.
7468
7469 That's it. May the source be with you!
7470
7471
7472 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7473 @c    node-name, next, previous, up
7474 @chapter A Comparison With Other CAS
7475 @cindex advocacy
7476
7477 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7478 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7479 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7480 disadvantages over these systems.
7481
7482 @menu
7483 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7484 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7485 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7486 @end menu
7487
7488 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7489 @c    node-name, next, previous, up
7490 @section Advantages
7491
7492 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7493 Algebra Systems, like 
7494
7495 @itemize @bullet
7496
7497 @item
7498 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7499 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7500 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7501 in common C++, which is standardized.
7502
7503 @cindex STL
7504 @item
7505 structured data types: you can build up structured data types using
7506 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7507 using unnamed lists of lists of lists.
7508
7509 @item
7510 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7511 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7512 nice for novice programmers, but dangerous.
7513     
7514 @item
7515 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7516 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7517 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7518
7519 @item
7520 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7521 separating interface and implementation.
7522
7523 @item
7524 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7525 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7526 C++-compilers for free, too.
7527     
7528 @item
7529 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7530 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7531 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7532 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7533 fix bugs in a traditional system.
7534
7535 @item
7536 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7537 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7538 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7539 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7540 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7541 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7542 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7543 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7544 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7545 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7546 FTP-site.
7547
7548 @item
7549 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7550 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7551 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7552 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7553 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7554 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7555 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7556 system (i.e. @emph{Yacas}).
7557
7558 @item
7559 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7560 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7561 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7562 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7563 speed with other CAS.
7564
7565 @end itemize
7566
7567
7568 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7569 @c    node-name, next, previous, up
7570 @section Disadvantages
7571
7572 Of course it also has some disadvantages:
7573
7574 @itemize @bullet
7575
7576 @item
7577 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7578 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7579 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7580 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7581 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7582 not planned for the near future).
7583
7584 @item
7585 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7586 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7587 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7588 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7589 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7590 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7591 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7592 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7593 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7594 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7595 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7596 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7597 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7598 yet ANSI compliant, support all needed features.
7599     
7600 @end itemize
7601
7602
7603 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7604 @c    node-name, next, previous, up
7605 @section Why C++?
7606
7607 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7608 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7609 possible), separation between interface and implementation is not
7610 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7611 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7612 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7613 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7614 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7615 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7616 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7617 any other programming language.
7618
7619
7620 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7621 @c    node-name, next, previous, up
7622 @appendix Internal Structures
7623
7624 @menu
7625 * Expressions are reference counted::
7626 * Internal representation of products and sums::
7627 @end menu
7628
7629 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7630 @c    node-name, next, previous, up
7631 @appendixsection Expressions are reference counted
7632
7633 @cindex reference counting
7634 @cindex copy-on-write
7635 @cindex garbage collection
7636 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7637 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7638 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7639 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7640 skip the rest of this passage.
7641
7642 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7643 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7644 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7645 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7646 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7647 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7648 of code:
7649
7650 @example
7651 #include <iostream>
7652 #include <ginac/ginac.h>
7653 using namespace std;
7654 using namespace GiNaC;
7655
7656 int main()
7657 @{
7658     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7659     ex e1, e2;
7660
7661     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7662     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7663     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7664     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7665     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7666 @}
7667 @end example
7668
7669 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7670 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7671 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7672 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7673 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7674 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7675 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7676 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7677 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7678 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7679 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7680 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7681 can be:
7682
7683 @example
7684 @{
7685     symbol x("x"), y("y");
7686
7687     ex e1 = x + 3*y;
7688     ex e2 = pow(e1, 3);
7689     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7690     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7691          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7692          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7693 @}
7694 @end example
7695
7696 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7697 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7698 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7699 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7700 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7701 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7702 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7703 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7704 @code{3*e1^2}.
7705
7706 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7707 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7708 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7709 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7710 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7711 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7712 semantics, we recommend you have a look at the
7713 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7714 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7715 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7716
7717
7718 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7719 @c    node-name, next, previous, up
7720 @appendixsection Internal representation of products and sums
7721
7722 @cindex representation
7723 @cindex @code{add}
7724 @cindex @code{mul}
7725 @cindex @code{power}
7726 Although it should be completely transparent for the user of
7727 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7728 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7729 unexpanded symbolic expression 
7730 @tex
7731 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7732 @end tex
7733 @ifnottex
7734 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7735 @end ifnottex
7736 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7737 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7738 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7739 fashion:
7740
7741 @image{repnaive}
7742
7743 @cindex pair-wise representation
7744 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7745 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7746 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7747 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7748 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7749 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7750 becomes much more flat:
7751
7752 @image{reppair}
7753
7754 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7755 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7756 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7757 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7758 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7759 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7760 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7761 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7762 representation, however, since they are still carrying a trivial
7763 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7764 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7765 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7766 representation for
7767 @tex
7768 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7769 @end tex
7770 @ifnottex
7771 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7772 @end ifnottex
7773
7774 @image{repreal}
7775
7776 @cindex radical
7777 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7778 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7779 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7780 same abstract class: the data representation is the same, only the
7781 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7782 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7783 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7784
7785
7786 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7787 @c    node-name, next, previous, up
7788 @appendix Package Tools
7789
7790 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7791 setting the correct command line options for the compiler and linker
7792 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7793
7794 @menu
7795 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7796 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7797 @end menu
7798
7799
7800 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7801 @c    node-name, next, previous, up
7802 @section @command{ginac-config}
7803 @cindex ginac-config
7804
7805 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7806 the compiler and linker command line options required to compile and
7807 link a program with the GiNaC library.
7808
7809 @command{ginac-config} takes the following flags:
7810
7811 @table @samp
7812 @item --version
7813 Prints out the version of GiNaC installed.
7814 @item --cppflags
7815 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7816 @item --libs
7817 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7818 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7819 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7820 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7821 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7822 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7823 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7824 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7825 @end table
7826
7827 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7828 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7829 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7830 example:
7831
7832 @example
7833 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7834 @end example
7835
7836 This command line might expand to (for example):
7837
7838 @example
7839 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7840   -lginac -lcln -lstdc++
7841 @end example
7842
7843 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7844 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7845
7846
7847 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7848 @c    node-name, next, previous, up
7849 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7850 @cindex AM_PATH_GINAC
7851
7852 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7853 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7854
7855 @example
7856 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
7857 @end example
7858
7859 This macro:
7860
7861 @itemize @bullet
7862
7863 @item
7864 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
7865 either found in the user's path, or from the environment variable
7866 @env{GINACLIB_CONFIG}.
7867
7868 @item
7869 Tests the installed libraries to make sure that their version
7870 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
7871 if not specified)
7872
7873 @item
7874 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
7875 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
7876 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
7877 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
7878 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
7879
7880 @item
7881 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
7882 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
7883
7884 @end itemize
7885
7886 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
7887 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
7888 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
7889 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
7890 aclocal the @samp{-I} option when running it.
7891
7892 @menu
7893 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
7894 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
7895 @end menu
7896
7897
7898 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
7899 @c    node-name, next, previous, up
7900 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
7901
7902 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
7903 the configure script.
7904
7905 Notes:
7906
7907 @itemize @bullet
7908
7909 @item
7910 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
7911 to be found by your system's dynamic linker.
7912   
7913 This is generally done by
7914
7915 @display
7916 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
7917 @end display
7918
7919 or by
7920    
7921 @display
7922 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
7923 @end display
7924
7925 or, as a last resort, 
7926  
7927 @display
7928 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
7929 running configure, for instance:
7930
7931 @example
7932 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
7933 @end example
7934 @end display
7935
7936 @item
7937 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
7938 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
7939 name of the executable
7940
7941 @item
7942 If you move the GiNaC package from its installed location,
7943 you will either need to modify @command{ginac-config} script
7944 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
7945
7946 @end itemize
7947
7948 Advanced note:
7949
7950 @itemize @bullet
7951 @item
7952 configure flags
7953   
7954 @example
7955 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
7956 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
7957 @end example
7958
7959 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
7960 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
7961 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
7962 @end itemize
7963
7964
7965 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
7966 @c    node-name, next, previous, up
7967 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
7968
7969 The following shows how to build a simple package using automake
7970 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
7971
7972 @example
7973 #include <iostream>
7974 #include <ginac/ginac.h>
7975
7976 int main()
7977 @{
7978     GiNaC::symbol x("x");
7979     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
7980     std::cout << "Derivative of " << a 
7981               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
7982     return 0;
7983 @}
7984 @end example
7985
7986 You should first read the introductory portions of the automake
7987 Manual, if you are not already familiar with it.
7988
7989 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
7990 configure script:
7991
7992 @example
7993 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
7994 AC_INIT(simple.cpp)
7995 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
7996
7997 AC_PROG_CXX
7998 AC_PROG_INSTALL
7999 AC_LANG_CPLUSPLUS
8000
8001 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8002   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8003   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8004 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8005
8006 AC_OUTPUT(Makefile)
8007 @end example
8008
8009 The only command in this which is not standard for automake
8010 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8011
8012 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8013 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8014 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8015 the error message `need to have GiNaC installed'
8016
8017 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8018
8019 @example
8020 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8021 bin_PROGRAMS = simple
8022 simple_SOURCES = simple.cpp
8023 @end example
8024
8025 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8026 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8027 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8028 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8029 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8030 adding the lines:
8031
8032 @example
8033 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8034 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8035 @end example
8036
8037 to the @file{Makefile.am}.
8038
8039 To try this example out, create a new directory and add the three
8040 files above to it.
8041
8042 Now execute the following commands:
8043
8044 @example
8045 $ automake --add-missing
8046 $ aclocal
8047 $ autoconf
8048 @end example
8049
8050 You now have a package that can be built in the normal fashion
8051
8052 @example
8053 $ ./configure
8054 $ make
8055 $ make install
8056 @end example
8057
8058
8059 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8060 @c    node-name, next, previous, up
8061 @appendix Bibliography
8062
8063 @itemize @minus{}
8064
8065 @item
8066 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8067
8068 @item
8069 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8070
8071 @item
8072 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8073
8074 @item
8075 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8076
8077 @item
8078 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8079 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8080
8081 @item
8082 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8083 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8084 Academic Press, London
8085
8086 @item
8087 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8088 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8089
8090 @item
8091 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8092 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8093
8094 @item
8095 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8096 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8097
8098 @item
8099 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8100
8101 @end itemize
8102
8103
8104 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8105 @c    node-name, next, previous, up
8106 @unnumbered Concept Index
8107
8108 @printindex cp
8109
8110 @bye