]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
b882f60df5cab55a7e731bd6670ff5ae4a452ac0
[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
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 @end menu
689
690
691 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
692 @c    node-name, next, previous, up
693 @section Expressions
694 @cindex expression (class @code{ex})
695 @cindex @code{has()}
696
697 The most common class of objects a user deals with is the expression
698 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
699 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
700 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
701 little collection of valid expressions:
702
703 @example
704 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
705 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
706 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
707 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
708 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
709 @end example
710
711 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
712 contain other expressions thus creating a tree of expressions
713 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
714 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
715 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
716 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
717 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
718 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
719
720 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
721 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
722 @code{ex}.
723
724 @subsection Note: Expressions and STL containers
725
726 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
727 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
728 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
729 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
730
731 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
732 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
733 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
734 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
735 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
736
737 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
738 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
739
740 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
741 expressions.
742
743
744 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
745 @c    node-name, next, previous, up
746 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
747 @cindex evaluation
748
749 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
750 them and put them into a canonical form. Some examples:
751
752 @example
753 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
754 ex MyEx2 = x - x;        // 0
755 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
756 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
757 @end example
758
759 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
760 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
761
762 @itemize @bullet
763 @item
764 at most of complexity
765 @tex
766 $O(n\log n)$
767 @end tex
768 @ifnottex
769 @math{O(n log n)}
770 @end ifnottex
771 @item
772 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
773 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
774 @end itemize
775
776 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
777 behave in an entirely obvious way at first glance:
778
779 @itemize
780 @item
781 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
782 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
783 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
784 any other way easily guessable (it almost always depends on the number and
785 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
786 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
787 canonical form.
788 @item
789 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
790 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
791 example
792 @example
793 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
794 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
795 @end example
796 @end itemize
797
798 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
799 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
800 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
801 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
802 some immediate simplifications.
803
804 @cindex @code{eval()}
805 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
806
807 @example
808 ex ex::eval(int level = 0) const;
809 ex basic::eval(int level = 0) const;
810 @end example
811
812 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
813 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
814 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
815 re-evaluate their results.
816
817
818 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
819 @c    node-name, next, previous, up
820 @section Error handling
821 @cindex exceptions
822 @cindex @code{pole_error} (class)
823
824 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
825 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
826 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
827 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
828 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
829 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
830 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
831 at a singularity.
832
833 The @code{pole_error} class has a member function
834
835 @example
836 int pole_error::degree() const;
837 @end example
838
839 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
840 logarithmic or the order is undefined).
841
842 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
843 the main program even if you don't want to do any special error handling.
844 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
845 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
846 usually only aborts the program without giving any information what went
847 wrong.
848
849 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
850 exceptions generated by GiNaC:
851
852 @example
853 #include <iostream>
854 #include <stdexcept>
855 #include <ginac/ginac.h>
856 using namespace std;
857 using namespace GiNaC;
858
859 int main()
860 @{
861     try @{
862         ...
863         // code using GiNaC
864         ...
865     @} catch (exception &p) @{
866         cerr << p.what() << endl;
867         return 1;
868     @}
869     return 0;
870 @}
871 @end example
872
873
874 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
875 @c    node-name, next, previous, up
876 @section The Class Hierarchy
877
878 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
879 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
880 helpers) are internally derived from one abstract base class called
881 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
882 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
883 containers of expressions and so on.
884
885 @cindex container
886 @cindex atom
887 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
888 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
889 some of the relations among the classes:
890
891 @image{classhierarchy}
892
893 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
894 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
895 duplication if two or more classes derived from them share certain
896 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
897 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
898 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
899 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
900 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
901 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
902 are stored in the different classes:
903
904 @cartouche
905 @multitable @columnfractions .22 .78
906 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
907 @item @code{constant} @tab Constants like 
908 @tex
909 $\pi$
910 @end tex
911 @ifnottex
912 @math{Pi}
913 @end ifnottex
914 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
915 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
916 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
917 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
918 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
919 @tex
920 $\sqrt{2}$
921 @end tex
922 @ifnottex
923 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
924 @end ifnottex
925 @dots{}
926 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
927 @item @code{function} @tab A symbolic function like
928 @tex
929 $\sin 2x$
930 @end tex
931 @ifnottex
932 @math{sin(2*x)}
933 @end ifnottex
934 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
935 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
936 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
937 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
938 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
939 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
940 @item @code{varidx} @tab Index with variance
941 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
942 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
943 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
944 @end multitable
945 @end cartouche
946
947
948 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
949 @c    node-name, next, previous, up
950 @section Symbols
951 @cindex @code{symbol} (class)
952 @cindex hierarchy of classes
953
954 @cindex atom
955 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
956 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
957 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
958 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
959 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
960 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
961 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
962 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
963 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
964 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
965 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
966 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
967 come across examples of such symbols later in this tutorial.
968
969 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
970 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
971 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
972 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
973 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
974 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
975 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
976 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
977 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
978 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
979
980 @cindex @code{subs()}
981 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
982 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
983 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
984 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
985
986
987 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
988 @c    node-name, next, previous, up
989 @section Numbers
990 @cindex @code{numeric} (class)
991
992 @cindex GMP
993 @cindex CLN
994 @cindex rational
995 @cindex fraction
996 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
997 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
998 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
999 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1000 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1001 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1002 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1003 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1004 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1005 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1006 several useful things: First, it introduces the complex number field
1007 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1008 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1009 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1010 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1011 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1012 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1013 calculation of some useful constants.
1014
1015 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1016 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1017 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1018 integers, construction from C-float and construction from a string:
1019
1020 @example
1021 #include <iostream>
1022 #include <ginac/ginac.h>
1023 using namespace GiNaC;
1024
1025 int main()
1026 @{
1027     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1028     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1029     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1030     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1031     // Trott's constant in scientific notation:
1032     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1033     
1034     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1035     ...
1036 @end example
1037
1038 @cindex @code{I}
1039 @cindex complex numbers
1040 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1041 name @code{I}:
1042
1043 @example
1044     ...
1045     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1046     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1047 @}
1048 @end example
1049
1050 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1051 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1052 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1053 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1054 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1055 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1056 also.
1057
1058 @cindex @code{Digits}
1059 @cindex accuracy
1060 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1061 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1062 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1063 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1064 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1065 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1066 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1067 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1068 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1069 digits:
1070
1071 @example
1072 #include <iostream>
1073 #include <ginac/ginac.h>
1074 using namespace std;
1075 using namespace GiNaC;
1076
1077 void foo()
1078 @{
1079     numeric three(3.0), one(1.0);
1080     numeric x = one/three;
1081
1082     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1083     cout << x << endl;
1084     cout << Pi.evalf() << endl;
1085 @}
1086
1087 int main()
1088 @{
1089     foo();
1090     Digits = 60;
1091     foo();
1092     return 0;
1093 @}
1094 @end example
1095
1096 The above example prints the following output to screen:
1097
1098 @example
1099 in 17 digits:
1100 0.33333333333333333334
1101 3.1415926535897932385
1102 in 60 digits:
1103 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1104 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1105 @end example
1106
1107 @cindex rounding
1108 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1109 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1110 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1111 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1112 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1113 architectures with different word size, the above output might even
1114 differ with regard to actually computed digits.
1115
1116 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1117 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1118 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1119
1120 @subsection Tests on numbers
1121
1122 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1123 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1124 kind of information from them like asking whether that number is
1125 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1126 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1127 certain CLN functions.)
1128
1129 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1130 some multiple of its denominator and test what comes out:
1131
1132 @example
1133 #include <iostream>
1134 #include <ginac/ginac.h>
1135 using namespace std;
1136 using namespace GiNaC;
1137
1138 // some very important constants:
1139 const numeric twentyone(21);
1140 const numeric ten(10);
1141 const numeric five(5);
1142
1143 int main()
1144 @{
1145     numeric answer = twentyone;
1146
1147     answer /= five;
1148     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1149     answer *= ten;
1150     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1151 @}
1152 @end example
1153
1154 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1155 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1156 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1157 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1158 the result is automatically converted to a pure integer again.
1159 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1160 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1161 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1162 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1163 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1164 can be applied is listed in the following table.
1165
1166 @cartouche
1167 @multitable @columnfractions .30 .70
1168 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1169 @item @code{.is_zero()}
1170 @tab @dots{}equal to zero
1171 @item @code{.is_positive()}
1172 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1173 @item @code{.is_integer()}
1174 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1175 @item @code{.is_pos_integer()}
1176 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1177 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1178 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1179 @item @code{.is_even()}
1180 @tab @dots{}an even integer
1181 @item @code{.is_odd()}
1182 @tab @dots{}an odd integer
1183 @item @code{.is_prime()}
1184 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1185 @item @code{.is_rational()}
1186 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1187 @item @code{.is_real()}
1188 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1189 @item @code{.is_cinteger()}
1190 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1191 @item @code{.is_crational()}
1192 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1193 @end multitable
1194 @end cartouche
1195
1196 @subsection Converting numbers
1197
1198 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1199 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1200 class provides a couple of methods for this purpose:
1201
1202 @cindex @code{to_int()}
1203 @cindex @code{to_long()}
1204 @cindex @code{to_double()}
1205 @cindex @code{to_cl_N()}
1206 @example
1207 int numeric::to_int() const;
1208 long numeric::to_long() const;
1209 double numeric::to_double() const;
1210 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1211 @end example
1212
1213 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1214 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1215 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1216 rational number will return a floating-point approximation. Both
1217 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1218 part of complex numbers.
1219
1220
1221 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1222 @c    node-name, next, previous, up
1223 @section Constants
1224 @cindex @code{constant} (class)
1225
1226 @cindex @code{Pi}
1227 @cindex @code{Catalan}
1228 @cindex @code{Euler}
1229 @cindex @code{evalf()}
1230 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1231 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1232
1233 The predefined known constants are:
1234
1235 @cartouche
1236 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1237 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1238 @item @code{Pi}
1239 @tab Archimedes' constant
1240 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1241 @item @code{Catalan}
1242 @tab Catalan's constant
1243 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1244 @item @code{Euler}
1245 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1246 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1247 @end multitable
1248 @end cartouche
1249
1250
1251 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1252 @c    node-name, next, previous, up
1253 @section Sums, products and powers
1254 @cindex polynomial
1255 @cindex @code{add}
1256 @cindex @code{mul}
1257 @cindex @code{power}
1258
1259 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1260 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1261 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1262 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1263 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1264 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1265 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1266 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1267
1268 @example
1269     ...
1270     symbol a("a"), b("b");
1271     ex MyTerm = 1+a*b;
1272     ...
1273 @end example
1274
1275 @cindex @code{pow()}
1276 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1277 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1278 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1279 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1280 have several counterintuitive and undesired effects:
1281
1282 @itemize @bullet
1283 @item
1284 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1285 @item
1286 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1287 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1288 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1289 @item
1290 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1291 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1292 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1293 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1294 has requested @code{2^3}.)
1295 @end itemize
1296
1297 @cindex @command{ginsh}
1298 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1299 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1300 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1301 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1302 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1303 not exist at all in C++).
1304
1305 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1306 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1307 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1308 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1309 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1310 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1311 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1312 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1313 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1314 @code{x} negative.
1315
1316 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1317 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1318 and safe simplifications are carried out like transforming
1319 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1320
1321
1322 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1323 @c    node-name, next, previous, up
1324 @section Lists of expressions
1325 @cindex @code{lst} (class)
1326 @cindex lists
1327 @cindex @code{nops()}
1328 @cindex @code{op()}
1329 @cindex @code{append()}
1330 @cindex @code{prepend()}
1331 @cindex @code{remove_first()}
1332 @cindex @code{remove_last()}
1333 @cindex @code{remove_all()}
1334
1335 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1336 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1337 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1338 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1339 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1340
1341 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1342 expressions:
1343
1344 @example
1345 @{
1346     symbol x("x"), y("y");
1347     lst l;
1348     l = x, 2, y, x+y;
1349     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1350     // in that order
1351     ...
1352 @end example
1353
1354 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1355 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1356
1357 @example
1358     ...
1359     // This produces the same list 'l' as above:
1360     // lst l(x, 2, y, x+y);
1361     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1362     ...
1363 @end example
1364
1365 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1366 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1367 individual elements:
1368
1369 @example
1370     ...
1371     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1372     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1373     ...
1374 @end example
1375
1376 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1377 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1378 sequential access to the elements of a list is possible with the
1379 iterator types provided by the @code{lst} class:
1380
1381 @example
1382 typedef ... lst::const_iterator;
1383 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1384 lst::const_iterator lst::begin() const;
1385 lst::const_iterator lst::end() const;
1386 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1387 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1388 @end example
1389
1390 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1391
1392 @example
1393     ...
1394     // O(N)
1395     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1396         cout << *i << endl;
1397     ...
1398 @end example
1399
1400 which is one order faster than
1401
1402 @example
1403     ...
1404     // O(N^2)
1405     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1406         cout << l.op(i) << endl;
1407     ...
1408 @end example
1409
1410 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1411 the C++ standard library:
1412
1413 @example
1414     ...
1415     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1416     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1417
1418     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1419     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1420     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1421     ...
1422 @end example
1423
1424 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1425 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1426
1427 @example
1428     ...
1429     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1430     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1431     ...
1432 @end example
1433
1434 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1435 and @code{prepend()} methods:
1436
1437 @example
1438     ...
1439     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1440     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1441     ...
1442 @end example
1443
1444 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1445 and @code{remove_last()}:
1446
1447 @example
1448     ...
1449     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1450     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1451     ...
1452 @end example
1453
1454 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1455
1456 @example
1457     ...
1458     l.remove_all();     // l is now empty
1459     ...
1460 @end example
1461
1462 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1463
1464 @example
1465     ...
1466     lst l1, l2;
1467     l1 = x, 2, y, x+y;
1468     l2 = 2, x+y, x, y;
1469     l1.sort();
1470     l2.sort();
1471     // l1 and l2 are now equal
1472     ...
1473 @end example
1474
1475 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1476 elements with @code{unique()}:
1477
1478 @example
1479     ...
1480     lst l3;
1481     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1482     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1483 @}
1484 @end example
1485
1486
1487 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1488 @c    node-name, next, previous, up
1489 @section Mathematical functions
1490 @cindex @code{function} (class)
1491 @cindex trigonometric function
1492 @cindex hyperbolic function
1493
1494 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1495 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1496 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1497
1498 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1499 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1500 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1501 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1502 the next example, showing how a function returns itself twice and
1503 finally an expression that may be really useful:
1504
1505 @cindex Gamma function
1506 @cindex @code{subs()}
1507 @example
1508     ...
1509     symbol x("x"), y("y");    
1510     ex foo = x+y/2;
1511     cout << tgamma(foo) << endl;
1512      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1513     ex bar = foo.subs(y==1);
1514     cout << tgamma(bar) << endl;
1515      // -> tgamma(x+1/2)
1516     ex foobar = bar.subs(x==7);
1517     cout << tgamma(foobar) << endl;
1518      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1519     ...
1520 @end example
1521
1522 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1523 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1524 this.
1525
1526 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1527 functions, where the argument list is templated.  This means that
1528 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1529 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1530 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1531 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1532 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1533 point number of class @code{numeric} you should call
1534 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1535 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1536 wrapped inside an @code{ex}.
1537
1538
1539 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1540 @c    node-name, next, previous, up
1541 @section Relations
1542 @cindex @code{relational} (class)
1543
1544 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1545 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1546 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1547 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1548 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1549 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1550
1551 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1552 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1553 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1554 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1555 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1556 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1557 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1558 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1559 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1560 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1561 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1562 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1563 @code{expand()} must be called explicitly.
1564
1565
1566 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1567 @c    node-name, next, previous, up
1568 @section Matrices
1569 @cindex @code{matrix} (class)
1570
1571 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1572 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1573 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1574 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1575
1576 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1577 elements. The constructor
1578
1579 @example
1580 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1581 @end example
1582
1583 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1584 set to zero.
1585
1586 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1587 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1588 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1589
1590 @example
1591 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1592 @end example
1593
1594 The function
1595
1596 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1597 @example
1598 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1599 @end example
1600
1601 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1602
1603 There is also a set of functions for creating some special types of
1604 matrices:
1605
1606 @cindex @code{diag_matrix()}
1607 @cindex @code{unit_matrix()}
1608 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1609 @example
1610 ex diag_matrix(const lst & l);
1611 ex unit_matrix(unsigned x);
1612 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1613 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1614 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1615 @end example
1616
1617 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1618 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1619 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1620 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1621 and the position of each element in the matrix.
1622
1623 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1624 operator:
1625
1626 @example
1627 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1628 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1629 @end example
1630
1631 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1632 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1633 @samp{[]} is not available.
1634
1635 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1636
1637 @example
1638 @{
1639     symbol a("a"), b("b");
1640
1641     matrix M(2, 2);
1642     M = a, 0,
1643         0, b;
1644     cout << M << endl;
1645      // -> [[a,0],[0,b]]
1646
1647     matrix M2(2, 2);
1648     M2(0, 0) = a;
1649     M2(1, 1) = b;
1650     cout << M2 << endl;
1651      // -> [[a,0],[0,b]]
1652
1653     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1654      // -> [[a,0],[0,b]]
1655
1656     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1657      // -> [[a,0],[0,b]]
1658
1659     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1660      // -> [[a,0],[0,b]]
1661
1662     cout << unit_matrix(3) << endl;
1663      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1664
1665     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1666      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1667 @}
1668 @end example
1669
1670 @cindex @code{transpose()}
1671 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1672 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1673
1674 @example
1675 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1676 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1677 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1678 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1679 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1680 matrix matrix::transpose() const;
1681 @end example
1682
1683 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1684 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1685 and @math{C}:
1686
1687 @example
1688 @{
1689     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
1690     A =  1, 2,
1691          3, 4;
1692     B = -1, 0,
1693          2, 1;
1694     C =  8, 4,
1695          2, 1;
1696
1697     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1698     cout << result << endl;
1699      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1700     ...
1701 @}
1702 @end example
1703
1704 @cindex @code{evalm()}
1705 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1706 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1707 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1708 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1709 method
1710
1711 @example
1712 ex ex::evalm() const;
1713 @end example
1714
1715 to obtain the result:
1716
1717 @example
1718 @{
1719     ...
1720     ex e = A*B - 2*C;
1721     cout << e << endl;
1722      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1723     cout << e.evalm() << endl;
1724      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1725     ...
1726 @}
1727 @end example
1728
1729 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1730 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1731 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1732 dealing with non-commutative expressions.
1733
1734 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1735 to perform the arithmetic:
1736
1737 @example
1738 @{
1739     ...
1740     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1741     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1742     cout << e << endl;
1743      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1744     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1745      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1746 @}
1747 @end example
1748
1749 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1750 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1751 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1752 more information about using matrices with indices, and about indices in
1753 general.
1754
1755 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1756 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1757
1758 @cindex @code{determinant()}
1759 @cindex @code{trace()}
1760 @cindex @code{charpoly()}
1761 @example
1762 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
1763 ex matrix::trace() const;
1764 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
1765 @end example
1766
1767 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
1768 between different algorithms for calculating the determinant.  The
1769 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
1770 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
1771 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
1772 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
1773 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
1774 quickly.
1775
1776 @cindex @code{inverse()}
1777 @cindex @code{solve()}
1778 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
1779 method and linear systems may be solved with:
1780
1781 @example
1782 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
1783 @end example
1784
1785 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
1786 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
1787 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
1788 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
1789 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
1790 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
1791 overdetermined, an exception is thrown.
1792
1793
1794 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1795 @c    node-name, next, previous, up
1796 @section Indexed objects
1797
1798 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1799 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1800 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1801 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1802
1803 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1804 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1805 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1806 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1807
1808 @cindex @code{idx} (class)
1809 @cindex @code{indexed} (class)
1810 @subsection Indexed quantities and their indices
1811
1812 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1813 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1814
1815 @itemize @bullet
1816
1817 @cindex contravariant
1818 @cindex covariant
1819 @cindex variance
1820 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1821 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1822 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1823 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1824 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1825 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1826
1827 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1828 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1829 one or more indices.
1830
1831 @end itemize
1832
1833 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1834 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1835 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1836 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1837 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1838 not visible in the output.
1839
1840 A simple example shall illustrate the concepts:
1841
1842 @example
1843 #include <iostream>
1844 #include <ginac/ginac.h>
1845 using namespace std;
1846 using namespace GiNaC;
1847
1848 int main()
1849 @{
1850     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1851     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1852
1853     symbol A("A");
1854     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1855      // -> A.i.j
1856     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
1857      // -> A.i[3].j[3]
1858     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
1859     ...
1860 @end example
1861
1862 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1863 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1864 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1865 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1866 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1867 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1868 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1869 @code{j}.
1870
1871 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
1872 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
1873 as shown above.
1874
1875 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1876 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1877 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1878 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1879 correct and will raise an exception:
1880
1881 @example
1882 symbol i("i"), j("j");
1883 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1884 @end example
1885
1886 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1887 be numeric, and index dimensions symbolic:
1888
1889 @example
1890     ...
1891     symbol B("B"), dim("dim");
1892     cout << 4 * indexed(A, i)
1893           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1894      // -> B.j.2.i+4*A.i
1895     ...
1896 @end example
1897
1898 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1899 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1900 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1901 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1902 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1903
1904 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1905 arbitrary expressions:
1906
1907 @example
1908     ...
1909     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1910      // -> (B+A).(1+2*i)
1911     ...
1912 @end example
1913
1914 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1915 get an error message from this but you will probably not be able to do
1916 anything useful with it.
1917
1918 @cindex @code{get_value()}
1919 @cindex @code{get_dimension()}
1920 The methods
1921
1922 @example
1923 ex idx::get_value();
1924 ex idx::get_dimension();
1925 @end example
1926
1927 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1928 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1929 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1930 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1931
1932 There are also the methods
1933
1934 @example
1935 bool idx::is_numeric();
1936 bool idx::is_symbolic();
1937 bool idx::is_dim_numeric();
1938 bool idx::is_dim_symbolic();
1939 @end example
1940
1941 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1942 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1943 About Expressions}) returns information about the index value.
1944
1945 @cindex @code{varidx} (class)
1946 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1947
1948 @example
1949     ...
1950     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1951     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1952     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1953
1954     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1955      // -> A~mu~nu
1956     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1957      // -> A.mu~nu
1958     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1959      // -> A.mu~nu
1960     ...
1961 @end example
1962
1963 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1964 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1965 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1966 constructor. The two methods
1967
1968 @example
1969 bool varidx::is_covariant();
1970 bool varidx::is_contravariant();
1971 @end example
1972
1973 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1974 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1975 method
1976
1977 @example
1978 ex varidx::toggle_variance();
1979 @end example
1980
1981 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1982 variance. By using it you only have to define the index once.
1983
1984 @cindex @code{spinidx} (class)
1985 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1986 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1987
1988 @example
1989     ...
1990     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1991     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1992                                             // contravariant, undotted
1993     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1994     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1995     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1996
1997     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1998      // -> K~C~D
1999     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2000      // -> K.C~*D
2001     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2002      // -> K.*D~D
2003     ...
2004 @end example
2005
2006 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2007 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2008 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2009 methods
2010
2011 @example
2012 bool spinidx::is_dotted();
2013 bool spinidx::is_undotted();
2014 @end example
2015
2016 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2017 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2018 Finally, the two methods
2019
2020 @example
2021 ex spinidx::toggle_dot();
2022 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2023 @end example
2024
2025 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2026 and the same or opposite variance.
2027
2028 @subsection Substituting indices
2029
2030 @cindex @code{subs()}
2031 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2032 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2033 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2034 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2035
2036 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2037 by another index or expression:
2038
2039 @example
2040     ...
2041     ex e = indexed(A, mu_co);
2042     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2043      // -> A.mu becomes A~nu
2044     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2045      // -> A.mu becomes A~0
2046     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2047      // -> A.mu becomes A.0
2048     ...
2049 @end example
2050
2051 The third example shows that trying to replace an index with something that
2052 is not an index will substitute the index value instead.
2053
2054 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2055 another expression:
2056
2057 @example
2058     ...
2059     ex e = indexed(A, mu_co);
2060     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2061      // -> A.mu becomes A.nu
2062     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2063      // -> A.mu becomes A.0
2064     ...
2065 @end example
2066
2067 As you see, with the second method only the value of the index will get
2068 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2069 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2070 whole index by another one with the new dimension.
2071
2072 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2073 expected:
2074
2075 @example
2076     ...
2077     ex e = indexed(A, mu_co);
2078     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2079      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2080     ...
2081 @end example
2082
2083 @subsection Symmetries
2084 @cindex @code{symmetry} (class)
2085 @cindex @code{sy_none()}
2086 @cindex @code{sy_symm()}
2087 @cindex @code{sy_anti()}
2088 @cindex @code{sy_cycl()}
2089
2090 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2091 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2092 that is constructed with the helper functions
2093
2094 @example
2095 symmetry sy_none(...);
2096 symmetry sy_symm(...);
2097 symmetry sy_anti(...);
2098 symmetry sy_cycl(...);
2099 @end example
2100
2101 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2102 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2103 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2104 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2105 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2106 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2107 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2108 all indices.
2109
2110 Here are some examples of symmetry definitions:
2111
2112 @example
2113     ...
2114     // No symmetry:
2115     e = indexed(A, i, j);
2116     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2117     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2118
2119     // Symmetric in all three indices:
2120     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2121     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2122     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2123                                                // different canonical order
2124
2125     // Symmetric in the first two indices only:
2126     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2127     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2128
2129     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2130     // be contiguous):
2131     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2132     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2133
2134     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2135     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2136     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2137     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2138
2139     // Cyclic symmetry in all three indices:
2140     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2141     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2142
2143     // The following examples are invalid constructions that will throw
2144     // an exception at run time.
2145
2146     // An index may not appear multiple times:
2147     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2148     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2149
2150     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2151     // same number of indices:
2152     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2153
2154     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2155     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2156     ...
2157 @end example
2158
2159 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2160 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2161 full symmetry in the first six indices you would write
2162 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2163
2164 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2165 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2166
2167 @example
2168     ...
2169     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2170           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2171      // -> 2*A.j.i
2172     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2173           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2174      // -> 0
2175     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2176           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2177      // -> 0
2178     ...
2179 @end example
2180
2181 @cindex @code{get_free_indices()}
2182 @cindex dummy index
2183 @subsection Dummy indices
2184
2185 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2186 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2187 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2188 dummy nor free indices.
2189
2190 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2191 class and their value must be the same single symbol (an index like
2192 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2193 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2194 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2195
2196 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2197 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2198 of a sum are consistent:
2199
2200 @example
2201 @{
2202     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2203
2204     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2205     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2206
2207     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2208     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2209      // -> (.i,.k)
2210      // 'j' and 'l' are dummy indices
2211
2212     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2213     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2214
2215     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2216       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2217     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2218      // -> (~mu,~rho)
2219      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2220
2221     e = indexed(A, mu, mu);
2222     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2223      // -> (~mu)
2224      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2225      // variance
2226
2227     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2228     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2229      // this will throw an exception:
2230      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2231 @}
2232 @end example
2233
2234 @cindex @code{simplify_indexed()}
2235 @subsection Simplifying indexed expressions
2236
2237 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2238 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2239 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2240 there is the method
2241
2242 @example
2243 ex ex::simplify_indexed();
2244 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2245 @end example
2246
2247 that performs some more expensive operations:
2248
2249 @itemize
2250 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2251   @code{get_free_indices()} does
2252 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2253   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2254 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2255   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2256   next section)
2257 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2258   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2259 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2260   of two tensors with a user-defined value
2261 @end itemize
2262
2263 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2264 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2265 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2266
2267 @example
2268 @{
2269     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2270     idx i(i_sym, 3);
2271
2272     scalar_products sp;
2273     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2274     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2275     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2276
2277     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2278     cout << e << endl;
2279      // -> (B+A).i*(A+C).i
2280
2281     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2282          << endl;
2283      // -> 4+C.i*B.i
2284 @}
2285 @end example
2286
2287 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2288 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2289 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2290 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2291 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2292 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2293 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2294 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2295
2296 @cindex @code{expand()}
2297 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2298 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2299 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2300
2301 @cindex @code{tensor} (class)
2302 @subsection Predefined tensors
2303
2304 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2305 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2306 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2307 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2308 indices are specified).
2309
2310 @cindex @code{delta_tensor()}
2311 @subsubsection Delta tensor
2312
2313 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2314 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2315 @code{delta_tensor()}:
2316
2317 @example
2318 @{
2319     symbol A("A"), B("B");
2320
2321     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2322         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2323
2324     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2325          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2326     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2327      // -> B.i.j*A.i.j
2328
2329     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2330      // -> 3
2331 @}
2332 @end example
2333
2334 @cindex @code{metric_tensor()}
2335 @subsubsection General metric tensor
2336
2337 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2338 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2339 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2340 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2341
2342 @example
2343 @{
2344     symbol A("A");
2345
2346     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2347
2348     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2349     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2350      // -> A~mu~rho
2351
2352     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2353     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2354      // -> g~mu~rho
2355
2356     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2357       * metric_tensor(nu, rho);
2358     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2359      // -> delta.mu~rho
2360
2361     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2362       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2363         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2364     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2365      // -> 4+A.rho~rho
2366 @}
2367 @end example
2368
2369 @cindex @code{lorentz_g()}
2370 @subsubsection Minkowski metric tensor
2371
2372 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2373 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2374 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2375 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2376 @samp{eta}):
2377
2378 @example
2379 @{
2380     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2381
2382     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2383       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2384     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2385      // -> 1
2386
2387     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2388       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2389     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2390      // -> -1
2391 @}
2392 @end example
2393
2394 @cindex @code{spinor_metric()}
2395 @subsubsection Spinor metric tensor
2396
2397 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2398 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2399 It is output as @samp{eps}:
2400
2401 @example
2402 @{
2403     symbol psi("psi");
2404
2405     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2406     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2407
2408     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2409     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2410      // -> psi~A
2411
2412     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2413     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2414      // -> -psi~B
2415
2416     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2417     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2418      // -> -psi.A
2419
2420     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2421     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2422      // -> psi.B
2423
2424     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2425     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2426      // -> 2
2427
2428     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2429     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2430      // -> -delta.A~C
2431 @}
2432 @end example
2433
2434 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2435
2436 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2437 @cindex @code{lorentz_eps()}
2438 @subsubsection Epsilon tensor
2439
2440 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2441 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2442 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2443 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2444 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2445 @samp{eps}.
2446
2447 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2448 dimensions:
2449
2450 @example
2451 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2452 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2453 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2454 @end example
2455
2456 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2457 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2458 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2459 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2460 tensor):
2461
2462 @example
2463 @{
2464     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2465            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2466     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2467         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2468     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2469      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2470
2471     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2472     symbol A("A"), B("B");
2473     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2474     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2475      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2476     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2477     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2478      // -> 0
2479 @}
2480 @end example
2481
2482 @subsection Linear algebra
2483
2484 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2485 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2486 and scalar products):
2487
2488 @example
2489 @{
2490     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2491     symbol x("x"), y("y");
2492
2493     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2494     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2495     A = 1, 2,
2496         3, 4;
2497     X = x, y;
2498
2499     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2500      // -> 5
2501
2502     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2503     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2504      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2505
2506     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2507     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2508      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2509 @}
2510 @end example
2511
2512 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2513 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2514 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2515
2516 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2517 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2518 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2519 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2520
2521 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2522 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2523 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2524 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2525 of the metric tensor.
2526
2527
2528 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2529 @c    node-name, next, previous, up
2530 @section Non-commutative objects
2531
2532 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2533 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2534 physics:
2535
2536 @itemize
2537 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2538 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2539 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2540 @end itemize
2541
2542 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2543 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2544 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2545 @ref{Matrices}.
2546
2547 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2548 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2549 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2550 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2551 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2552 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2553 by their class. Consider this example:
2554
2555 @example
2556     ...
2557     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2558     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2559     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2560     cout << e << endl;
2561      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2562     ...
2563 @end example
2564
2565 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2566 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2567 together while preserving the order of factors within each class (because
2568 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2569 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2570 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2571 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2572
2573 @cindex @code{ncmul} (class)
2574 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2575 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2576 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2577 though.
2578
2579 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2580 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2581 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2582 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2583 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2584 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2585 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2586 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2587 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2588 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2589
2590 @cindex @code{return_type()}
2591 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2592 Information about the commutativity of an object or expression can be
2593 obtained with the two member functions
2594
2595 @example
2596 unsigned ex::return_type() const;
2597 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2598 @end example
2599
2600 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2601 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2602 expressions in GiNaC:
2603
2604 @itemize
2605 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2606   classes are of this kind.
2607 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2608   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2609   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2610   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2611   class.
2612 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2613   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2614   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2615   @code{noncommutative_composite} expressions.
2616 @end itemize
2617
2618 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2619 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2620 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2621 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2622
2623 Here are a couple of examples:
2624
2625 @cartouche
2626 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2627 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2628 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2629 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2630 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2631 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2632 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2633 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2634 @end multitable
2635 @end cartouche
2636
2637 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2638 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2639 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2640 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2641 for color objects.
2642
2643 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2644 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2645 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2646 non-commutative expressions).
2647
2648
2649 @cindex @code{clifford} (class)
2650 @subsection Clifford algebra
2651
2652 @cindex @code{dirac_gamma()}
2653 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2654 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2655 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2656 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2657
2658 @example
2659 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2660 @end example
2661
2662 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2663 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2664 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2665 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2666 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2667 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2668
2669 @cindex @code{dirac_ONE()}
2670 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2671
2672 @example
2673 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2674 @end example
2675
2676 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2677 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2678 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2679 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2680 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2681
2682 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2683 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2684 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2685 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2686
2687 @example
2688 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2689 @end example
2690
2691 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2692 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2693 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2694 objects, constructed by
2695
2696 @example
2697 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2698 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2699 @end example
2700
2701 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2702 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2703
2704 @cindex @code{dirac_slash()}
2705 Finally, the function
2706
2707 @example
2708 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2709 @end example
2710
2711 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2712 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2713 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2714 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2715
2716 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2717 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2718 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2719
2720 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2721 for example
2722
2723 @example
2724 @{
2725     ...
2726     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2727     varidx mu(symbol("mu"), D);
2728     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2729          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2730     cout << e << endl;
2731      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2732     e = e.simplify_indexed();
2733     cout << e << endl;
2734      // -> -D*a\+2*a\
2735     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2736      // -> -2*a\
2737     ...
2738 @}
2739 @end example
2740
2741 @cindex @code{dirac_trace()}
2742 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2743 you use the function
2744
2745 @example
2746 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2747 @end example
2748
2749 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2750 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2751 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2752 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2753 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2754 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2755 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2756 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2757 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2758
2759 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2760 @math{D != 4} dimensions:
2761
2762 @example
2763 @{
2764     // 4 dimensions
2765     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2766     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2767            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2768     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2769      // -> -8*eta~rho~nu
2770 @}
2771 ...
2772 @{
2773     // D dimensions
2774     symbol D("D");
2775     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2776     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2777            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2778     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2779      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2780 @}
2781 @end example
2782
2783 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2784 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2785 QED:
2786
2787 @example
2788 @{
2789     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2790     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2791
2792     scalar_products sp;
2793     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2794     sp.add(l, q, ldotq);
2795
2796     ex e = dirac_gamma(mu) *
2797            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2798            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2799            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2800     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2801     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2802     cout << e << endl;
2803      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2804 @}
2805 @end example
2806
2807 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2808 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2809 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2810
2811 @example
2812 @{
2813     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2814     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2815     cout << e << endl;
2816      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2817
2818     e = canonicalize_clifford(e);
2819     cout << e << endl;
2820      // -> 2*eta~mu~nu
2821 @}
2822 @end example
2823
2824
2825 @cindex @code{color} (class)
2826 @subsection Color algebra
2827
2828 @cindex @code{color_T()}
2829 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2830 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2831 elements @math{T_a} are constructed by the function
2832
2833 @example
2834 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2835 @end example
2836
2837 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2838 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2839 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2840 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2841 not @code{varidx}.
2842
2843 @cindex @code{color_ONE()}
2844 The unity element of a color algebra is constructed by
2845
2846 @example
2847 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2848 @end example
2849
2850 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2851 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2852 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2853 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2854 GiNaC may produce incorrect results.
2855
2856 @cindex @code{color_d()}
2857 @cindex @code{color_f()}
2858 The functions
2859
2860 @example
2861 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2862 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2863 @end example
2864
2865 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2866 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2867 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2868
2869 @cindex @code{color_h()}
2870 There's an additional function
2871
2872 @example
2873 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2874 @end example
2875
2876 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2877
2878 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2879 expressions containing color objects:
2880
2881 @example
2882 @{
2883     ...
2884     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2885         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2886
2887     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2888     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2889      // -> 0
2890
2891     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2892     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2893      // -> 5/3*delta.k.l
2894
2895     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2896     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2897      // -> 3*delta.k.l
2898
2899     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2900     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2901      // -> -32/3
2902
2903     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2904     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2905      // -> -2/3*T.a
2906
2907     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2908     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2909      // -> -8/9*ONE
2910
2911     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2912     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2913      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2914     ...
2915 @end example
2916
2917 @cindex @code{color_trace()}
2918 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2919 function
2920
2921 @example
2922 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2923 @end example
2924
2925 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2926 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2927 standing. For example:
2928
2929 @example
2930     ...
2931     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2932     cout << e << endl;
2933      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2934 @}
2935 @end example
2936
2937
2938 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2939 @c    node-name, next, previous, up
2940 @chapter Methods and Functions
2941 @cindex polynomial
2942
2943 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2944 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2945 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2946 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2947 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2948 example:
2949
2950 @example
2951     ...
2952     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2953     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2954     ...
2955 @end example
2956
2957 @cindex @code{subs()}
2958 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2959 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2960 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2961 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2962 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2963 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2964 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2965 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2966 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2967 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2968 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2969 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2970 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2971 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2972 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2973 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2974 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2975 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2976 avoided.
2977
2978 @menu
2979 * Information About Expressions::
2980 * Numerical Evaluation::
2981 * Substituting Expressions::
2982 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2983 * Applying a Function on Subexpressions::
2984 * Visitors and Tree Traversal::
2985 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2986 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2987 * Symbolic Differentiation::
2988 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2989 * Symmetrization::
2990 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2991 * Solving Linear Systems of Equations::
2992 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2993 @end menu
2994
2995
2996 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
2997 @c    node-name, next, previous, up
2998 @section Getting information about expressions
2999
3000 @subsection Checking expression types
3001 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3002 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3003 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3004 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3005 @cindex @code{info()}
3006 @cindex @code{return_type()}
3007 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3008
3009 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3010 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3011 GiNaC provides a couple of functions for this:
3012
3013 @example
3014 bool is_a<T>(const ex & e);
3015 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3016 bool ex::info(unsigned flag);
3017 unsigned ex::return_type() const;
3018 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3019 @end example
3020
3021 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3022 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3023 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3024 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3025
3026 @example
3027 @{
3028     @dots{}
3029     if (is_a<numeric>(e))
3030         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3031     @dots{}
3032 @}
3033 @end example
3034
3035 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3036 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3037 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3038 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3039
3040 @example
3041 @{
3042     symbol x("x");
3043     ex e1 = 42;
3044     ex e2 = 4*x - 3;
3045     is_a<numeric>(e1);  // true
3046     is_a<numeric>(e2);  // false
3047     is_a<add>(e1);      // false
3048     is_a<add>(e2);      // true
3049     is_a<mul>(e1);      // false
3050     is_a<mul>(e2);      // false
3051 @}
3052 @end example
3053
3054 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3055 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3056 class @samp{T}, not including parent classes.
3057
3058 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3059 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3060 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3061 table:
3062
3063 @cartouche
3064 @multitable @columnfractions .30 .70
3065 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3066 @item @code{numeric}
3067 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
3068 @item @code{real}
3069 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3070 @item @code{rational}
3071 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3072 @item @code{integer}
3073 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3074 @item @code{crational}
3075 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3076 @item @code{cinteger}
3077 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3078 @item @code{positive}
3079 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3080 @item @code{negative}
3081 @tab @dots{}not complex and less than 0
3082 @item @code{nonnegative}
3083 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3084 @item @code{posint}
3085 @tab @dots{}an integer greater than 0
3086 @item @code{negint}
3087 @tab @dots{}an integer less than 0
3088 @item @code{nonnegint}
3089 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3090 @item @code{even}
3091 @tab @dots{}an even integer
3092 @item @code{odd}
3093 @tab @dots{}an odd integer
3094 @item @code{prime}
3095 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3096 @item @code{relation}
3097 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3098 @item @code{relation_equal}
3099 @tab @dots{}a @code{==} relation
3100 @item @code{relation_not_equal}
3101 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3102 @item @code{relation_less}
3103 @tab @dots{}a @code{<} relation
3104 @item @code{relation_less_or_equal}
3105 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3106 @item @code{relation_greater}
3107 @tab @dots{}a @code{>} relation
3108 @item @code{relation_greater_or_equal}
3109 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3110 @item @code{symbol}
3111 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3112 @item @code{list}
3113 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3114 @item @code{polynomial}
3115 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3116 @item @code{integer_polynomial}
3117 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3118 @item @code{cinteger_polynomial}
3119 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3120 @item @code{rational_polynomial}
3121 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3122 @item @code{crational_polynomial}
3123 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3124 @item @code{rational_function}
3125 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3126 @item @code{algebraic}
3127 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3128 @end multitable
3129 @end cartouche
3130
3131 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3132 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3133 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3134 for an explanation of these.
3135
3136
3137 @subsection Accessing subexpressions
3138 @cindex @code{nops()}
3139 @cindex @code{op()}
3140 @cindex container
3141 @cindex @code{relational} (class)
3142
3143 GiNaC provides the two methods
3144
3145 @example
3146 size_t ex::nops();
3147 ex ex::op(size_t i);
3148 @end example
3149
3150 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
3151 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
3152 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
3153 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
3154 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
3155 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
3156 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
3157
3158 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
3159 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
3160
3161 @example
3162 ex ex::lhs();
3163 ex ex::rhs();
3164 @end example
3165
3166
3167 @subsection Comparing expressions
3168 @cindex @code{is_equal()}
3169 @cindex @code{is_zero()}
3170
3171 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3172 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3173 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3174 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3175 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3176 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3177 @code{false}.
3178
3179 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3180 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3181 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3182
3183 There are also two methods
3184
3185 @example
3186 bool ex::is_equal(const ex & other);
3187 bool ex::is_zero();
3188 @end example
3189
3190 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3191 respectively.
3192
3193
3194 @subsection Ordering expressions
3195 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3196 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3197 @cindex @code{compare()}
3198
3199 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3200 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3201 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3202 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3203
3204 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3205 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3206 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3207 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3208 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3209 yield @code{true}.
3210
3211 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3212 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3213 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3214 predicates to the STL:
3215
3216 @example
3217 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3218 public:
3219     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3220 @};
3221
3222 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3223 public:
3224     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3225 @};
3226 @end example
3227
3228 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3229 have to use
3230
3231 @example
3232 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3233 @end example
3234
3235 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3236 bugs because the map operates improperly.
3237
3238 Other examples for the use of the functors:
3239
3240 @example
3241 std::vector<ex> v;
3242 // fill vector
3243 ...
3244
3245 // sort vector
3246 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3247
3248 // count the number of expressions equal to '1'
3249 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3250                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3251 @end example
3252
3253 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3254
3255 @example
3256 int ex::compare(const ex & other) const;
3257 @end example
3258
3259 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3260 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3261 after @code{other}.
3262
3263
3264 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3265 @c    node-name, next, previous, up
3266 @section Numercial Evaluation
3267 @cindex @code{evalf()}
3268
3269 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3270 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3271
3272 @example
3273 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3274 @end example
3275
3276 @cindex @code{Digits}
3277 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3278 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3279 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3280
3281 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3282 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3283
3284 @example
3285 @{
3286     // Approximate sin(x/Pi)
3287     symbol x("x");
3288     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3289
3290     // Evaluate numerically at x=0.1
3291     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3292
3293     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3294     if (is_a<numeric>(f)) @{
3295         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3296         cout << d << endl;
3297          // -> 0.0318256
3298     @} else
3299         // error
3300 @}
3301 @end example
3302
3303
3304 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3305 @c    node-name, next, previous, up
3306 @section Substituting expressions
3307 @cindex @code{subs()}
3308
3309 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3310 expressions via the @code{.subs()} method:
3311
3312 @example
3313 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3314 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3315 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3316 @end example
3317
3318 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3319 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3320
3321 @example
3322 @{
3323     symbol x("x"), y("y");
3324
3325     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3326     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3327      // -> 73
3328
3329     ex e2 = x*y + x;
3330     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3331      // -> -10
3332 @}
3333 @end example
3334
3335 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3336 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3337
3338 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3339 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3340 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3341 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3342 be substituted is large or unknown.
3343
3344 Using this form, the second example from above would look like this:
3345
3346 @example
3347 @{
3348     symbol x("x"), y("y");
3349     ex e2 = x*y + x;
3350
3351     exmap m;
3352     m[x] = -2;
3353     m[y] = 4;
3354     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3355 @}
3356 @end example
3357
3358 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3359 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3360 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3361
3362 @example
3363 @{
3364     symbol x("x"), y("y");
3365     ex e2 = x*y + x;
3366
3367     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3368 @}
3369 @end example
3370
3371 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3372 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3373 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3374 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3375 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3376 algebraic substitutions in products and powers.
3377 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3378 about patterns and algebraic substitutions.
3379
3380 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3381 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3382 following example:
3383
3384 @example
3385 @{
3386     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3387
3388     ex e1 = pow(x+y, 2);
3389     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3390      // -> 16
3391
3392     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3393     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3394      // -> cos(x)^2*sin(y)
3395
3396     ex e3 = x+y+z;
3397     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3398      // -> x+y+z
3399      // (and not 4+z as one might expect)
3400 @}
3401 @end example
3402
3403 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3404 next section.
3405
3406
3407 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3408 @c    node-name, next, previous, up
3409 @section Pattern matching and advanced substitutions
3410 @cindex @code{wildcard} (class)
3411 @cindex Pattern matching
3412
3413 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3414 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3415 substituting expressions in a more general way.
3416
3417 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3418 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3419 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3420 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3421 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3422 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3423 with the call
3424
3425 @example
3426 ex wild(unsigned label = 0);
3427 @end example
3428
3429 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3430 name.
3431
3432 Some examples for patterns:
3433
3434 @multitable @columnfractions .5 .5
3435 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3436 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3437 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3438 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3439 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3440 @end multitable
3441
3442 Notes:
3443
3444 @itemize
3445 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3446   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3447 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3448   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3449   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3450 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3451   possible to use them as placeholders for other properties like index
3452   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3453   etc.
3454 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3455   as part of noncommutative products.
3456 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3457   are also valid patterns.
3458 @end itemize
3459
3460 @subsection Matching expressions
3461 @cindex @code{match()}
3462 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3463 matches a given pattern. This is done by the function
3464
3465 @example
3466 bool ex::match(const ex & pattern);
3467 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3468 @end example
3469
3470 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3471 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3472 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3473 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3474 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3475 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3476 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3477 expressions by passing in the result of a previous match.
3478
3479 The matching algorithm works as follows:
3480
3481 @itemize
3482 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3483   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3484   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3485   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3486 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3487   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3488   etc.).
3489 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3490   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3491 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3492   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3493   of the pattern.
3494 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3495   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3496 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3497   match the corresponding subexpression of the pattern.
3498 @end itemize
3499
3500 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3501 account for their commutativity and associativity:
3502
3503 @itemize
3504 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3505   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3506   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3507   way.
3508 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3509   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3510   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3511   further matches.
3512 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3513   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3514   which case this wildcard matches the remaining terms.
3515 @end itemize
3516
3517 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3518 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3519 ambiguous results.
3520
3521 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3522 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3523 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3524
3525 @example
3526 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3527 @{@}
3528 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3529 FAIL
3530 > match((x+y)^a,$1^$2);
3531 @{$1==x+y,$2==a@}
3532 > match((x+y)^a,$1^$1);
3533 FAIL
3534 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3535 @{$1==x+y@}
3536 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3537 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3538 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3539 @{$1==a@}
3540 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3541 @{$1==c,$2==b@}
3542   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3543 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3544   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3545    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3546    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3547    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3548    fail.)
3549 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3550   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3551    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3552 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3553 FAIL
3554 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3555 @{$0==a+e+b+f+d@}
3556 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3557 @{$0==a+b+f+d@}
3558 > match(a+b,a+b+$0);
3559 @{$0==0@}
3560 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3561 FAIL
3562   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3563    even though a==a^1.)
3564 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3565 @{$0==x@}
3566 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3567 @{$0==x^2@}
3568 @end example
3569
3570 @subsection Matching parts of expressions
3571 @cindex @code{has()}
3572 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3573 member function
3574
3575 @example
3576 bool ex::has(const ex & pattern);
3577 @end example
3578
3579 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3580 by any of its subexpressions.
3581
3582 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3583 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3584
3585 @example
3586 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3587 1
3588 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3589 0
3590   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3591    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3592 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3593 1
3594   (But this is possible.)
3595 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3596 0
3597   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3598    which "x+y" is not a subexpression.)
3599 > has(x+1,x^$1);
3600 0
3601   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3602    "x^something".)
3603 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3604 1
3605 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3606 0
3607   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3608    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3609    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3610 @end example
3611
3612 @cindex @code{find()}
3613 The method
3614
3615 @example
3616 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3617 @end example
3618
3619 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3620 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3621 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3622 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3623 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3624
3625 @example
3626 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3627 @{x@}
3628 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3629 @{@}
3630 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3631 @{x^3,x^2@}
3632   (Note the absence of "x".)
3633 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3634 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3635 > find(%,sin($1));
3636 @{sin(y),sin(x)@}
3637 @end example
3638
3639 @subsection Substituting expressions
3640 @cindex @code{subs()}
3641 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3642 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3643 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3644 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3645 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3646
3647 Some examples:
3648
3649 @example
3650 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3651 b^3+a^3+(x+y)^3
3652 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3653 b^4+a^4+(x+y)^4
3654 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3655 (a+b+c)^2
3656 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3657 (x+c)^2
3658 > subs(a+2*b,a+b==x);
3659 a+2*b
3660 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3661 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3662 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3663 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3664 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3665 cos(1+cos(x))
3666 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3667 a+b
3668 @end example
3669
3670 The last example would be written in C++ in this way:
3671
3672 @example
3673 @{
3674     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3675     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3676     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3677     cout << e.expand() << endl;
3678      // -> a+b
3679 @}
3680 @end example
3681
3682 @subsection Algebraic substitutions
3683 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
3684 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
3685 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
3686 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
3687 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
3688 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
3689 powers.
3690
3691 An example clarifies it all (hopefully):
3692
3693 @example
3694 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
3695                                         subs_options::algebraic) << endl;
3696 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
3697
3698 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
3699 // --> (c+b+a)^2
3700 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
3701
3702 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
3703                                                                       << endl;
3704 // --> (x+c)^2
3705 // As I said: addition is just the same.
3706
3707 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
3708 // --> x^3*b*a^2+2*b
3709
3710 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
3711                                                                        << endl;
3712 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
3713
3714 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
3715 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
3716
3717 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
3718                                 subs_options::algebraic) << endl;
3719 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
3720 // You should not really need this kind of patterns very often now.
3721 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
3722
3723 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
3724                                 subs_options::algebraic) << endl;
3725 // --> cos(1+cos(x))
3726
3727 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
3728         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
3729                                 subs_options::algebraic)) << endl;
3730 // --> b+a
3731 @end example
3732
3733
3734 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3735 @c    node-name, next, previous, up
3736 @section Applying a Function on Subexpressions
3737 @cindex tree traversal
3738 @cindex @code{map()}
3739
3740 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3741 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3742 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3743 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3744 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3745 to do this manually which usually results in code like this:
3746
3747 @example
3748 ex calc_trace(ex e)
3749 @{
3750     if (is_a<matrix>(e))
3751         return ex_to<matrix>(e).trace();
3752     else if (is_a<add>(e)) @{
3753         ex sum = 0;
3754         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
3755             sum += calc_trace(e.op(i));
3756         return sum;
3757     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3758         ...
3759     @} else @{
3760         ...
3761     @}
3762 @}
3763 @end example
3764
3765 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3766 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3767 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3768 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3769 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3770
3771 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3772 operations:
3773
3774 @example
3775 ex ex::map(map_function & f) const;
3776 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3777 @end example
3778
3779 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3780 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3781 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3782 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3783 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3784 non-recursively.
3785
3786 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3787 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3788 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3789 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3790 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3791
3792 @example
3793 struct calc_trace : public map_function @{
3794     ex operator()(const ex &e)
3795     @{
3796         if (is_a<matrix>(e))
3797             return ex_to<matrix>(e).trace();
3798         else if (is_a<mul>(e)) @{
3799             ...
3800         @} else
3801             return e.map(*this);
3802     @}
3803 @};
3804 @end example
3805
3806 This function object could then be used like this:
3807
3808 @example
3809 @{
3810     ex M = ... // expression with matrices
3811     calc_trace do_trace;
3812     ex tr = do_trace(M);
3813 @}
3814 @end example
3815
3816 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3817 terms in a variable from an expanded polynomial:
3818
3819 @example
3820 struct map_rem_quad : public map_function @{
3821     ex var;
3822     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3823
3824     ex operator()(const ex & e)
3825     @{
3826         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3827             return e.map(*this);
3828         else if (is_a<power>(e) && 
3829                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3830             return 0;
3831         else
3832             return e;
3833     @}
3834 @};
3835
3836 ...
3837
3838 @{
3839     symbol x("x"), y("y");
3840
3841     ex e;
3842     for (int i=0; i<8; i++)
3843         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3844     cout << e << endl;
3845      // -> 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
3846
3847     map_rem_quad rem_quad(x);
3848     cout << rem_quad(e) << endl;
3849      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3850 @}
3851 @end example
3852
3853 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3854 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3855 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3856 acts as the placeholder for the operands:
3857
3858 @example
3859 > map(a*b,sin($0));
3860 sin(a)*sin(b)
3861 > map(a+2*b,sin($0));
3862 sin(a)+sin(2*b)
3863 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3864 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3865 @end example
3866
3867 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3868 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3869 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3870
3871 @example
3872 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3873 @{0,0,0@}
3874   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3875   to "map(@{a,b,c@},0)".
3876 @end example
3877
3878
3879 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3880 @c    node-name, next, previous, up
3881 @section Visitors and Tree Traversal
3882 @cindex tree traversal
3883 @cindex @code{visitor} (class)
3884 @cindex @code{accept()}
3885 @cindex @code{visit()}
3886 @cindex @code{traverse()}
3887 @cindex @code{traverse_preorder()}
3888 @cindex @code{traverse_postorder()}
3889
3890 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
3891 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
3892 indices with variance you always want the covariant version returned.
3893
3894 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
3895 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
3896 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
3897 with variance, one for plain ones).
3898
3899 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
3900 such as the following:
3901
3902 @example
3903 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
3904 @{
3905     if (is_a<varidx>(e)) @{
3906         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
3907         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3908     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
3909         l.append(e);
3910     @} else @{
3911         size_t n = e.nops();
3912         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
3913             gather_indices_helper(e.op(i), l);
3914     @}
3915 @}
3916
3917 lst gather_indices(const ex & e)
3918 @{
3919     lst l;
3920     gather_indices_helper(e, l);
3921     l.sort();
3922     l.unique();
3923     return l;
3924 @}
3925 @end example
3926
3927 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
3928 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
3929 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
3930
3931 @example
3932     if (is_a<idx>(e)) @{
3933       ...
3934     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
3935       ...
3936 @end example
3937
3938 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
3939 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
3940 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
3941 executed.
3942
3943 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
3944 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
3945 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
3946 write a function that required a different implementation for nearly
3947 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
3948
3949 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
3950 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
3951 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
3952 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
3953 impossible to add virtual member functions to existing classes without
3954 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
3955 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
3956 presented this would be impractical.
3957
3958 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
3959 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
3960 variation, described in detail in
3961 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
3962 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
3963 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
3964 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
3965 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
3966 object that @code{accept()} was being invoked on.
3967
3968 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
3969 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
3970 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
3971 each class.
3972
3973 A call of
3974
3975 @example
3976 void ex::accept(visitor & v) const;
3977 @end example
3978
3979 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
3980 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
3981 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
3982
3983 Here is an example of a visitor:
3984
3985 @example
3986 class my_visitor
3987  : public visitor,          // this is required
3988    public add::visitor,     // visit add objects
3989    public numeric::visitor, // visit numeric objects
3990    public basic::visitor    // visit basic objects
3991 @{
3992     void visit(const add & x)
3993     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
3994
3995     void visit(const numeric & x)
3996     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
3997
3998     void visit(const basic & x)
3999     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4000 @};
4001 @end example
4002
4003 which can be used as follows:
4004
4005 @example
4006 ...
4007     symbol x("x");
4008     ex e1 = 42;
4009     ex e2 = 4*x-3;
4010     ex e3 = 8*x;
4011
4012     my_visitor v;
4013     e1.accept(v);
4014      // prints "called with a numeric object"
4015     e2.accept(v);
4016      // prints "called with an add object"
4017     e3.accept(v);
4018      // prints "called with a basic object"
4019 ...
4020 @end example
4021
4022 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4023 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4024
4025 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4026 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4027 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4028 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4029 hierarchies of visitors.
4030
4031 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4032
4033 @example
4034 class gather_indices_visitor
4035  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4036 @{
4037     lst l;
4038
4039     void visit(const idx & i)
4040     @{
4041         l.append(i);
4042     @}
4043
4044     void visit(const varidx & vi)
4045     @{
4046         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4047     @}
4048
4049 public:
4050     const lst & get_result() // utility function
4051     @{
4052         l.sort();
4053         l.unique();
4054         return l;
4055     @}
4056 @};
4057 @end example
4058
4059 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4060 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4061
4062 @example
4063 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4064 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4065 void ex::traverse(visitor & v) const;
4066 @end example
4067
4068 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4069 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4070 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4071 @code{traverse_preorder()}.
4072
4073 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4074 and @code{traverse()}:
4075
4076 @example
4077 lst gather_indices(const ex & e)
4078 @{
4079     gather_indices_visitor v;
4080     e.traverse(v);
4081     return v.get_result();
4082 @}
4083 @end example
4084
4085
4086 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4087 @c    node-name, next, previous, up
4088 @section Polynomial arithmetic
4089
4090 @subsection Expanding and collecting
4091 @cindex @code{expand()}
4092 @cindex @code{collect()}
4093 @cindex @code{collect_common_factors()}
4094
4095 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4096 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4097 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4098 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4099 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4100 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4101 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4102 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4103 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4104 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4105 x*z}.
4106
4107 To bring an expression into expanded form, its method
4108
4109 @example
4110 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4111 @end example
4112
4113 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4114 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4115 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
4116 orderings of terms in such sums!
4117
4118 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4119 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4120 being polynomials in the remaining variables.  The method
4121 @code{collect()} accomplishes this task:
4122
4123 @example
4124 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4125 @end example
4126
4127 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4128 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4129 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4130 by the @code{distributed} flag.
4131
4132 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4133 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4134 coefficients properly.
4135
4136 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4137 together with @code{find()}:
4138
4139 @example
4140 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4141 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
4142 > collect(a,@{p,q@});
4143 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)
4144 > collect(a,find(a,sin($1)));
4145 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4146 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4147 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4148 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4149 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4150 @end example
4151
4152 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4153 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4154
4155 @example
4156 ex collect_common_factors(const ex & e);
4157 @end example
4158
4159 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4160 factors which are already explicitly present:
4161
4162 @example
4163 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4164 (x+y)*a
4165 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4166 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4167 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4168 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4169 @end example
4170
4171 @subsection Degree and coefficients
4172 @cindex @code{degree()}
4173 @cindex @code{ldegree()}
4174 @cindex @code{coeff()}
4175
4176 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4177 methods
4178
4179 @example
4180 int ex::degree(const ex & s);
4181 int ex::ldegree(const ex & s);
4182 @end example
4183
4184 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4185 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4186 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4187 an expanded polynomial you use
4188
4189 @example
4190 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4191 @end example
4192
4193 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4194
4195 @example
4196 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4197 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4198 @end example
4199
4200 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4201 respectively.
4202
4203 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4204 polynomial is analyzed:
4205
4206 @example
4207 @{
4208     symbol x("x"), y("y");
4209     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4210                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4211     ex Poly = PolyInp.expand();
4212     
4213     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4214         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4215              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4216     @}
4217     cout << "As polynomial in y: " 
4218          << Poly.collect(y) << endl;
4219 @}
4220 @end example
4221
4222 When run, it returns an output in the following fashion:
4223
4224 @example
4225 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4226 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4227 The x^2-coefficient is -1
4228 The x^3-coefficient is 4*y
4229 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4230 @end example
4231
4232 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4233 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4234 within the user's sphere of influence.
4235
4236 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4237 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4238 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4239 constants, functions and indexed objects as well:
4240
4241 @example
4242 @{
4243     symbol a("a"), b("b"), c("c");
4244     idx i(symbol("i"), 3);
4245
4246     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4247     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4248      // -> 4
4249     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4250      // -> -4*cos(x)
4251
4252     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4253     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4254     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4255      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4256 @}
4257 @end example
4258
4259
4260 @subsection Polynomial division
4261 @cindex polynomial division
4262 @cindex quotient
4263 @cindex remainder
4264 @cindex pseudo-remainder
4265 @cindex @code{quo()}
4266 @cindex @code{rem()}
4267 @cindex @code{prem()}
4268 @cindex @code{divide()}
4269
4270 The two functions
4271
4272 @example
4273 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4274 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4275 @end example
4276
4277 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4278 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4279
4280 The additional function
4281
4282 @example
4283 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4284 @end example
4285
4286 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4287 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4288
4289 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4290
4291 @example
4292 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4293 @end example
4294
4295 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4296 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4297 in which case the value of @code{q} is undefined.
4298
4299
4300 @subsection Unit, content and primitive part
4301 @cindex @code{unit()}
4302 @cindex @code{content()}
4303 @cindex @code{primpart()}
4304
4305 The methods
4306
4307 @example
4308 ex ex::unit(const ex & x);
4309 ex ex::content(const ex & x);
4310 ex ex::primpart(const ex & x);
4311 @end example
4312
4313 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4314 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4315 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4316 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4317 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4318 original polynomial.
4319
4320
4321 @subsection GCD and LCM
4322 @cindex GCD
4323 @cindex LCM
4324 @cindex @code{gcd()}
4325 @cindex @code{lcm()}
4326
4327 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4328 multiple have the synopsis
4329
4330 @example
4331 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4332 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4333 @end example
4334
4335 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4336 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4337 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4338 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4339 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4340
4341 @example
4342 #include <ginac/ginac.h>
4343 using namespace GiNaC;
4344
4345 int main()
4346 @{
4347     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4348     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4349     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4350
4351     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4352     // x + 5*y + 4*z
4353     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4354     // 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
4355 @}
4356 @end example
4357
4358
4359 @subsection Square-free decomposition
4360 @cindex square-free decomposition
4361 @cindex factorization
4362 @cindex @code{sqrfree()}
4363
4364 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4365 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4366 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4367 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4368 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4369 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4370 one, too:
4371 @example
4372 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4373 @end example
4374 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4375 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4376 some care with subsequent processing of the result:
4377 @example
4378     ...
4379     symbol x("x"), y("y");
4380     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4381
4382     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4383      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4384
4385     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4386      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4387
4388     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4389      // -> depending on luck, any of the above
4390     ...
4391 @end example
4392 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4393 with this method.
4394
4395
4396 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4397 @c    node-name, next, previous, up
4398 @section Rational expressions
4399
4400 @subsection The @code{normal} method
4401 @cindex @code{normal()}
4402 @cindex simplification
4403 @cindex temporary replacement
4404
4405 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4406 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4407 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4408 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4409 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4410 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4411
4412 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4413 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4414 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4415 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4416 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4417 @code{.to_rational()}, described below.
4418
4419 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4420 simplified in this little code snippet:
4421
4422 @example
4423 @{
4424     symbol x("x");
4425     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4426     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4427     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4428     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4429 @}
4430 @end example
4431
4432 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4433 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4434 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4435
4436
4437 @subsection Numerator and denominator
4438 @cindex numerator
4439 @cindex denominator
4440 @cindex @code{numer()}
4441 @cindex @code{denom()}
4442 @cindex @code{numer_denom()}
4443
4444 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4445
4446 @example
4447 ex ex::numer();
4448 ex ex::denom();
4449 ex ex::numer_denom();
4450 @end example
4451
4452 These functions will first normalize the expression as described above and
4453 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4454 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4455 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4456
4457
4458 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4459 @cindex @code{to_polynomial()}
4460 @cindex @code{to_rational()}
4461
4462 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4463 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4464 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4465 above. You do this by calling
4466
4467 @example
4468 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4469 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4470 @end example
4471 or
4472 @example
4473 ex ex::to_rational(exmap & m);
4474 ex ex::to_rational(lst & l);
4475 @end example
4476
4477 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4478 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4479 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4480 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4481 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4482 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4483
4484 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4485 is probably best illustrated with an example:
4486
4487 @example
4488 @{
4489     symbol x("x"), y("y");
4490     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4491     cout << a << endl;
4492
4493     lst lp;
4494     ex p = a.to_polynomial(lp);
4495     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4496      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4497      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4498
4499     lst lr;
4500     ex r = a.to_rational(lr);
4501     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4502      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4503      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4504 @}
4505 @end example
4506
4507 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4508
4509 @example
4510 @{
4511     symbol x("x");
4512     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4513     ex b = sin(x) + cos(x);
4514     ex q;
4515     exmap m;
4516     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4517     cout << q.subs(m) << endl;
4518 @}
4519 @end example
4520
4521
4522 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4523 @c    node-name, next, previous, up
4524 @section Symbolic differentiation
4525 @cindex differentiation
4526 @cindex @code{diff()}
4527 @cindex chain rule
4528 @cindex product rule
4529
4530 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4531 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4532 the derivatives of all the monomials:
4533
4534 @example
4535 @{
4536     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4537     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4538
4539     cout << P.diff(x,2) << endl;
4540      // -> 20*x^3 + 2
4541     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4542      // -> 1
4543     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4544      // -> 0
4545 @}
4546 @end example
4547
4548 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4549 returns the @var{n}th derivative.
4550
4551 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4552 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4553 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4554 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4555 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4556 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4557 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4558 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4559 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4560 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4561 lines:
4562
4563 @cindex Euler numbers
4564 @example
4565 #include <ginac/ginac.h>
4566 using namespace GiNaC;
4567
4568 ex EulerNumber(unsigned n)
4569 @{
4570     symbol x;
4571     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4572     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4573 @}
4574
4575 int main()
4576 @{
4577     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4578         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4579     return 0;
4580 @}
4581 @end example
4582
4583 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4584 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4585 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4586
4587
4588 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4589 @c    node-name, next, previous, up
4590 @section Series expansion
4591 @cindex @code{series()}
4592 @cindex Taylor expansion
4593 @cindex Laurent expansion
4594 @cindex @code{pseries} (class)
4595 @cindex @code{Order()}
4596
4597 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
4598 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
4599 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
4600 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
4601 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
4602 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
4603 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
4604 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
4605 term).  A sample application from special relativity could read:
4606
4607 @example
4608 #include <ginac/ginac.h>
4609 using namespace std;
4610 using namespace GiNaC;
4611
4612 int main()
4613 @{
4614     symbol v("v"), c("c");
4615     
4616     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
4617     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
4618     
4619     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
4620          << mass_nonrel << endl;
4621     
4622     cout << "the inverse square of this series is " << endl
4623          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
4624 @}
4625 @end example
4626
4627 Only calling the series method makes the last output simplify to
4628 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
4629 series raised to the power @math{-2}.
4630
4631 @cindex Machin's formula
4632 As another instructive application, let us calculate the numerical 
4633 value of Archimedes' constant
4634 @tex
4635 $\pi$
4636 @end tex
4637 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
4638 using John Machin's amazing formula
4639 @tex
4640 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
4641 @end tex
4642 @ifnottex
4643 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
4644 @end ifnottex
4645 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
4646 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
4647 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
4648 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
4649 order term with it and the question arises what the system is supposed
4650 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
4651 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
4652 term off:
4653
4654 @example
4655 #include <ginac/ginac.h>
4656 using namespace GiNaC;
4657
4658 ex machin_pi(int degr)
4659 @{
4660     symbol x;
4661     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
4662     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
4663                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
4664     return pi_approx;
4665 @}
4666
4667 int main()
4668 @{
4669     using std::cout;  // just for fun, another way of...
4670     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
4671     ex pi_frac;
4672     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
4673         pi_frac = machin_pi(i);
4674         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
4675              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
4676     @}
4677     return 0;
4678 @}
4679 @end example
4680
4681 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
4682 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
4683 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
4684 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
4685 program, it will type out:
4686
4687 @example
4688 2:      3804/1195
4689         3.1832635983263598326
4690 4:      5359397032/1706489875
4691         3.1405970293260603143
4692 6:      38279241713339684/12184551018734375
4693         3.141621029325034425
4694 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4695         3.141591772182177295
4696 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4697         3.1415926824043995174
4698 @end example
4699
4700
4701 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4702 @c    node-name, next, previous, up
4703 @section Symmetrization
4704 @cindex @code{symmetrize()}
4705 @cindex @code{antisymmetrize()}
4706 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4707
4708 The three methods
4709
4710 @example
4711 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4712 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4713 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4714 @end example
4715
4716 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4717 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4718 weighted by the number of permutations.
4719
4720 The three additional methods
4721
4722 @example
4723 ex ex::symmetrize();
4724 ex ex::antisymmetrize();
4725 ex ex::symmetrize_cyclic();
4726 @end example
4727
4728 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4729
4730 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4731 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4732
4733 @example
4734 @{
4735     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4736     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4737                                            
4738     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4739      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4740     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4741      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4742     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4743      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4744 @}
4745 @end example
4746
4747
4748 @node Built-in Functions, Solving Linear Systems of Equations, Symmetrization, Methods and Functions
4749 @c    node-name, next, previous, up
4750 @section Predefined mathematical functions
4751 @c
4752 @subsection Overview
4753
4754 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4755
4756 @cartouche
4757 @multitable @columnfractions .30 .70
4758 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4759 @item @code{abs(x)}
4760 @tab absolute value
4761 @cindex @code{abs()}
4762 @item @code{csgn(x)}
4763 @tab complex sign
4764 @cindex @code{csgn()}
4765 @item @code{sqrt(x)}
4766 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4767 @cindex @code{sqrt()}
4768 @item @code{sin(x)}
4769 @tab sine
4770 @cindex @code{sin()}
4771 @item @code{cos(x)}
4772 @tab cosine
4773 @cindex @code{cos()}
4774 @item @code{tan(x)}
4775 @tab tangent
4776 @cindex @code{tan()}
4777 @item @code{asin(x)}
4778 @tab inverse sine
4779 @cindex @code{asin()}
4780 @item @code{acos(x)}
4781 @tab inverse cosine
4782 @cindex @code{acos()}
4783 @item @code{atan(x)}
4784 @tab inverse tangent
4785 @cindex @code{atan()}
4786 @item @code{atan2(y, x)}
4787 @tab inverse tangent with two arguments
4788 @item @code{sinh(x)}
4789 @tab hyperbolic sine
4790 @cindex @code{sinh()}
4791 @item @code{cosh(x)}
4792 @tab hyperbolic cosine
4793 @cindex @code{cosh()}
4794 @item @code{tanh(x)}
4795 @tab hyperbolic tangent
4796 @cindex @code{tanh()}
4797 @item @code{asinh(x)}
4798 @tab inverse hyperbolic sine
4799 @cindex @code{asinh()}
4800 @item @code{acosh(x)}
4801 @tab inverse hyperbolic cosine
4802 @cindex @code{acosh()}
4803 @item @code{atanh(x)}
4804 @tab inverse hyperbolic tangent
4805 @cindex @code{atanh()}
4806 @item @code{exp(x)}
4807 @tab exponential function
4808 @cindex @code{exp()}
4809 @item @code{log(x)}
4810 @tab natural logarithm
4811 @cindex @code{log()}
4812 @item @code{Li2(x)}
4813 @tab dilogarithm
4814 @cindex @code{Li2()}
4815 @item @code{Li(m, x)}
4816 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
4817 @cindex @code{Li()}
4818 @item @code{S(n, p, x)}
4819 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
4820 @cindex @code{S()}
4821 @item @code{H(m, x)}
4822 @tab harmonic polylogarithm
4823 @cindex @code{H()}
4824 @item @code{zeta(m)}
4825 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
4826 @cindex @code{zeta()}
4827 @item @code{zeta(m, s)}
4828 @tab alternating Euler sum
4829 @cindex @code{zeta()}
4830 @item @code{zetaderiv(n, x)}
4831 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4832 @item @code{tgamma(x)}
4833 @tab gamma function
4834 @cindex @code{tgamma()}
4835 @cindex gamma function
4836 @item @code{lgamma(x)}
4837 @tab logarithm of gamma function
4838 @cindex @code{lgamma()}
4839 @item @code{beta(x, y)}
4840 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4841 @cindex @code{beta()}
4842 @item @code{psi(x)}
4843 @tab psi (digamma) function
4844 @cindex @code{psi()}
4845 @item @code{psi(n, x)}
4846 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4847 @item @code{factorial(n)}
4848 @tab factorial function
4849 @cindex @code{factorial()}
4850 @item @code{binomial(n, m)}
4851 @tab binomial coefficients
4852 @cindex @code{binomial()}
4853 @item @code{Order(x)}
4854 @tab order term function in truncated power series
4855 @cindex @code{Order()}
4856 @end multitable
4857 @end cartouche
4858
4859 @cindex branch cut
4860 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4861 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4862 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4863 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4864 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4865 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4866 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4867 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4868 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4869 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4870 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4871 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4872 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4873 compatible with C99.
4874
4875 @subsection Multiple polylogarithms
4876
4877 @cindex polylogarithm
4878 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
4879 @cindex harmonic polylogarithm
4880 @cindex multiple zeta value
4881 @cindex alternating Euler sum
4882 @cindex multiple polylogarithm
4883
4884 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
4885 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
4886 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
4887 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
4888 parameters. This whole family of functions is therefore often refered to simply as
4889 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
4890
4891 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
4892 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
4893 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
4894
4895 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
4896 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
4897 for the argument @code{x} as well.
4898 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
4899 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
4900 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
4901 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
4902 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
4903
4904 The functions print in LaTeX format as
4905 @tex
4906 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
4907 @end tex
4908 @tex
4909 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
4910 @end tex
4911 @tex
4912 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
4913 @end tex
4914 @tex
4915 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
4916 @end tex
4917 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
4918 are printed with a line above, e.g.
4919 @tex
4920 $\zeta(5,\overline{2})$.
4921 @end tex
4922 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
4923
4924 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
4925 are too numerous to be covered here. Instead, the user is refered to the publications listed at the
4926 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
4927 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
4928
4929 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNac we adopt the convention
4930 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
4931 the series representation. This means
4932 @tex
4933 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
4934 @end tex
4935 @tex
4936 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
4937 @end tex
4938 @tex
4939 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
4940 @end tex
4941 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
4942 is reversed.
4943
4944 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
4945 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
4946 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
4947 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
4948 @tex
4949 $\zeta(\overline{3},4)$.
4950 @end tex
4951 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
4952 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
4953 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
4954 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
4955 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
4956 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
4957 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
4958
4959 @example
4960 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
4961 S(2,2,x)
4962 > H(@{-3,2@},1);
4963 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
4964 > S(3,1,1);
4965 1/90*Pi^4
4966 @end example
4967
4968 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
4969 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
4970 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
4971 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
4972 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
4973 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
4974
4975 @example
4976 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
4977 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
4978 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
4979 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
4980 @end example
4981
4982 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
4983 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
4984 @tex
4985 $x_i$ the condition
4986 @end tex
4987 @tex
4988 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
4989 @end tex
4990
4991 @example
4992 > Digits=100;
4993 100
4994 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
4995 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
4996 @end example
4997
4998 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
4999 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5000
5001 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5002 unevaluated, e.g.
5003 @tex
5004 $\zeta(1)$.
5005 @end tex
5006 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5007 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5008 cancellations of divergencies happen.
5009
5010 Useful publications:
5011
5012 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5013 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5014
5015 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5016 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5017
5018 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5019 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5020
5021 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Built-in Functions, Methods and Functions
5022 @c    node-name, next, previous, up
5023 @section Solving Linear Systems of Equations
5024 @cindex @code{lsolve()}
5025
5026 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5027 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5028 needs to be solved:
5029
5030 @example
5031 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5032 @end example
5033
5034 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5035 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5036 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5037 @code{lst}).
5038
5039 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5040 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5041
5042 @example
5043 @{
5044     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5045     lst eqns, vars;
5046     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5047     vars = x, y;
5048     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5049      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5050 @end example
5051
5052 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5053 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5054 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5055 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5056 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5057 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5058 around that method.
5059
5060
5061 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5062 @c    node-name, next, previous, up
5063 @section Input and output of expressions
5064 @cindex I/O
5065
5066 @subsection Expression output
5067 @cindex printing
5068 @cindex output of expressions
5069
5070 Expressions can simply be written to any stream:
5071
5072 @example
5073 @{
5074     symbol x("x");
5075     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5076     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5077     // ...
5078 @end example
5079
5080 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5081 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5082 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5083 is printed as @samp{x^2}).
5084
5085 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5086 a set of stream manipulators;
5087
5088 @example
5089 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5090 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5091 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5092 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5093 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5094 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5095 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5096 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5097 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5098 @end example
5099
5100 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5101 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5102 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5103
5104 @cindex @code{dflt}
5105 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5106 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5107
5108 @example
5109     // ...
5110     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5111     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5112     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5113     cout << dflt;             // revert to default output format
5114     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5115     // ...
5116 @end example
5117
5118 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5119 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5120
5121 @example
5122     // ...
5123     ostringstream s;
5124     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5125     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5126     // ...
5127 @end example
5128
5129 @cindex @code{csrc}
5130 @cindex @code{csrc_float}
5131 @cindex @code{csrc_double}
5132 @cindex @code{csrc_cl_N}
5133 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5134 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5135 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5136 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5137 classes provided by the CLN library):
5138
5139 @example
5140     // ...
5141     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5142     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5143     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5144     // ...
5145 @end example
5146
5147 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5148 @code{x*x}):
5149
5150 @example
5151 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5152 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5153 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5154 @end example
5155
5156 @cindex @code{tree}
5157 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5158 expression for debugging purposes:
5159
5160 @example
5161     // ...
5162     cout << tree << e;
5163 @}
5164 @end example
5165
5166 produces
5167
5168 @example
5169 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5170     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5171         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5172         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5173     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5174     -----
5175     overall_coeff
5176     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5177     =====
5178 @end example
5179
5180 @cindex @code{latex}
5181 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5182 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5183 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5184 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5185 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5186 constructor.
5187
5188 For example, the code snippet
5189
5190 @example
5191 @{
5192     symbol x("x", "\\circ");
5193     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5194     cout << latex << e << endl;
5195 @}
5196 @end example
5197
5198 will print
5199
5200 @example
5201     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5202 @end example
5203
5204 @cindex @code{index_dimensions}
5205 @cindex @code{no_index_dimensions}
5206 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5207 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5208 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5209 formats:
5210
5211 @example
5212 @{
5213     symbol x("x"), y("y");
5214     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5215     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5216
5217     cout << e << endl;
5218      // prints 'x~mu*y~nu'
5219     cout << index_dimensions << e << endl;
5220      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5221     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5222      // prints 'x~mu*y~nu'
5223 @}
5224 @end example
5225
5226
5227 @cindex Tree traversal
5228 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5229 with other algebra systems or for producing code for different
5230 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5231
5232 @example
5233 static void my_print(const ex & e)
5234 @{
5235     if (is_a<function>(e))
5236         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5237     else
5238         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5239     cout << "(";
5240     size_t n = e.nops();
5241     if (n)
5242         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5243             my_print(e.op(i));
5244             if (i != n-1)
5245                 cout << ",";
5246         @}
5247     else
5248         cout << e;
5249     cout << ")";
5250 @}
5251
5252 int main()
5253 @{
5254     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5255     return 0;
5256 @}
5257 @end example
5258
5259 This will produce
5260
5261 @example
5262 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5263 symbol(y))),numeric(-2)))
5264 @end example
5265
5266 If you need an output format that makes it possible to accurately
5267 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5268 object factory, you should consider storing the expression in an
5269 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5270 See the section on archiving for more information.
5271
5272
5273 @subsection Expression input
5274 @cindex input of expressions
5275
5276 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5277 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5278 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5279 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5280 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5281
5282 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5283 list of symbols to be used:
5284
5285 @example
5286 @{
5287     symbol x("x"), y("y");
5288     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5289 @}
5290 @end example
5291
5292 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5293 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5294 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5295 the list it will throw an exception.
5296
5297 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5298
5299 @example
5300 #include <iostream>
5301 #include <string>
5302 #include <stdexcept>
5303 #include <ginac/ginac.h>
5304 using namespace std;
5305 using namespace GiNaC;
5306
5307 int main()
5308 @{
5309     symbol x("x");
5310     string s;
5311
5312     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5313     getline(cin, s);
5314
5315     try @{
5316         ex e(s, lst(x));
5317         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5318         cout << e.diff(x) << ".\n";
5319     @} catch (exception &p) @{
5320         cerr << p.what() << endl;
5321     @}
5322 @}
5323 @end example
5324
5325
5326 @subsection Archiving
5327 @cindex @code{archive} (class)
5328 @cindex archiving
5329
5330 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5331 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5332 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5333 expression a unique name:
5334
5335 @example
5336 #include <fstream>
5337 using namespace std;
5338 #include <ginac/ginac.h>
5339 using namespace GiNaC;
5340
5341 int main()
5342 @{
5343     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5344
5345     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5346     ex bar = foo + 1;
5347
5348     archive a;
5349     a.archive_ex(foo, "foo");
5350     a.archive_ex(bar, "the second one");
5351     // ...
5352 @end example
5353
5354 The archive can then be written to a file:
5355
5356 @example
5357     // ...
5358     ofstream out("foobar.gar");
5359     out << a;
5360     out.close();
5361     // ...
5362 @end example
5363
5364 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5365 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5366
5367 @cindex @command{viewgar}
5368 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5369 the contents of GiNaC archive files:
5370
5371 @example
5372 $ viewgar foobar.gar
5373 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5374 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5375 @end example
5376
5377 The point of writing archive files is of course that they can later be
5378 read in again:
5379
5380 @example
5381     // ...
5382     archive a2;
5383     ifstream in("foobar.gar");
5384     in >> a2;
5385     // ...
5386 @end example
5387
5388 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5389
5390 @example
5391     // ...
5392     lst syms;
5393     syms = x, y;
5394
5395     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5396     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5397
5398     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5399     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5400     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5401 @}
5402 @end example
5403
5404 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5405 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5406 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5407 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5408 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5409 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5410 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5411 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5412
5413 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5414 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5415 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5416 functions that let you access the stored properties:
5417
5418 @example
5419 static void my_print2(const archive_node & n)
5420 @{
5421     string class_name;
5422     n.find_string("class", class_name);
5423     cout << class_name << "(";
5424
5425     archive_node::propinfovector p;
5426     n.get_properties(p);
5427
5428     size_t num = p.size();
5429     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5430         const string &name = p[i].name;
5431         if (name == "class")
5432             continue;
5433         cout << name << "=";
5434
5435         unsigned count = p[i].count;
5436         if (count > 1)
5437             cout << "@{";
5438
5439         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5440             switch (p[i].type) @{
5441                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5442                     bool x;
5443                     n.find_bool(name, x, j);
5444                     cout << (x ? "true" : "false");
5445                     break;
5446                 @}
5447                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5448                     unsigned x;
5449                     n.find_unsigned(name, x, j);
5450                     cout << x;
5451                     break;
5452                 @}
5453                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5454                     string x;
5455                     n.find_string(name, x, j);
5456                     cout << '\"' << x << '\"';
5457                     break;
5458                 @}
5459                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5460                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5461                     my_print2(x);
5462                     break;
5463                 @}
5464             @}
5465
5466             if (j != count-1)
5467                 cout << ",";
5468         @}
5469
5470         if (count > 1)
5471             cout << "@}";
5472
5473         if (i != num-1)
5474             cout << ",";
5475     @}
5476
5477     cout << ")";
5478 @}
5479
5480 int main()
5481 @{
5482     ex e = pow(2, x) - y;
5483     archive ar(e, "e");
5484     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5485     return 0;
5486 @}
5487 @end example
5488
5489 This will produce:
5490
5491 @example
5492 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5493 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5494 overall_coeff=numeric(number="0"))
5495 @end example
5496
5497 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5498 class may change between GiNaC versions.
5499
5500
5501 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5502 @c    node-name, next, previous, up
5503 @chapter Extending GiNaC
5504
5505 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5506 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
5507 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5508 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5509 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5510 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5511
5512 @menu
5513 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5514 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5515 * Printing::                         Adding new output formats.
5516 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5517 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5518 @end menu
5519
5520
5521 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5522 @c    node-name, next, previous, up
5523 @section What doesn't belong into GiNaC
5524
5525 @cindex @command{ginsh}
5526 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5527 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5528 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5529 language.  There are no loops or conditional expressions in
5530 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5531 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5532 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5533 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5534 the future.
5535
5536 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5537 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5538 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5539 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5540 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5541 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5542 provided by CLN are much better suited.
5543
5544
5545 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5546 @c    node-name, next, previous, up
5547 @section Symbolic functions
5548
5549 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5550 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5551 two preprocessor macros:
5552
5553 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5554 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5555 @example
5556 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
5557 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
5558 @end example
5559
5560 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
5561 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
5562 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
5563 @code{function} object that represents your function.
5564
5565 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
5566 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
5567 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
5568 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
5569 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
5570 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
5571 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
5572 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
5573
5574 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
5575 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
5576 done our best to avoid macros where we can.)
5577
5578 @subsection A minimal example
5579
5580 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
5581 that is not further evaluated:
5582
5583 @example
5584 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
5585
5586 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
5587 @end example
5588
5589 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
5590 in algebraic expressions:
5591
5592 @example
5593 @{
5594     ...
5595     symbol x("x");
5596     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
5597     cout << e << endl;
5598      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
5599     ...
5600 @}
5601 @end example
5602
5603 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
5604 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
5605 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
5606 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
5607
5608 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
5609 example of how to make an "intelligent" function.
5610
5611 @subsection The cosine function
5612
5613 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
5614
5615 @example
5616 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
5617 @end example
5618
5619 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
5620 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
5621 this function in expressions.
5622
5623 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
5624 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
5625
5626 @example
5627 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
5628                        evalf_func(cos_evalf).
5629                        derivative_func(cos_deriv).
5630                        latex_name("\\cos"));
5631 @end example
5632
5633 There are four options defined for the cosine function. One of them
5634 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
5635 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
5636 function are defined.
5637
5638 @cindex @code{hold()}
5639 @cindex evaluation
5640 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
5641 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
5642 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
5643 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
5644 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
5645 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
5646 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
5647 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
5648 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
5649 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
5650 somewhere.
5651
5652 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
5653 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
5654 what is going on):
5655
5656 @example
5657 static ex cos_eval(const ex & x)
5658 @{
5659     if ("x is a multiple of 2*Pi")
5660         return 1;
5661     else if ("x is a multiple of Pi")
5662         return -1;
5663     else if ("x is a multiple of Pi/2")
5664         return 0;
5665     // more rules...
5666
5667     else if ("x has the form 'acos(y)'")
5668         return y;
5669     else if ("x has the form 'asin(y)'")
5670         return sqrt(1-y^2);
5671     // more rules...
5672
5673     else
5674         return cos(x).hold();
5675 @}
5676 @end example
5677
5678 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
5679
5680 @example
5681 @{
5682     ...
5683     e = cos(Pi);
5684      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
5685      // the actual expression
5686     cout << e << endl;
5687      // prints '-1'
5688     ...
5689 @}
5690 @end example
5691
5692 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
5693 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
5694 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
5695 with @code{.hold()}.
5696
5697 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
5698 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
5699 different function:
5700
5701 @example
5702 static ex cos_evalf(const ex & x)
5703 @{
5704     if (is_a<numeric>(x))
5705         return cos(ex_to<numeric>(x));
5706     else
5707         return cos(x).hold();
5708 @}
5709 @end example
5710
5711 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
5712 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
5713 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
5714 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
5715 function would require it in this place.
5716
5717 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
5718 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
5719 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
5720 @code{ex::diff}):
5721
5722 @example
5723 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
5724 @{
5725     return -sin(x);
5726 @}
5727 @end example
5728
5729 @cindex product rule
5730 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
5731 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
5732 case the function has more than one parameter, and its main application
5733 is for correct handling of the chain rule.
5734
5735 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
5736 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
5737 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
5738 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
5739
5740 @example
5741 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
5742                      int order, unsigned options)
5743 @{
5744     // Find the actual expansion point
5745     const ex x_pt = x.subs(rel);
5746
5747     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
5748         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
5749
5750     // On a pole, expand sin()/cos()
5751     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
5752 @}
5753 @end example
5754
5755 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
5756 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
5757
5758 @subsection Function options
5759
5760 GiNaC functions understand several more options which are always
5761 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
5762 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
5763 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
5764 functions without any special options.
5765
5766 @example
5767 eval_func(<C++ function>)
5768 evalf_func(<C++ function>)
5769 derivative_func(<C++ function>)
5770 series_func(<C++ function>)
5771 @end example
5772
5773 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
5774 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
5775 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
5776 @code{diff()} and @code{series()}.
5777
5778 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
5779 automatic evaluation is desired or possible.
5780
5781 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
5782 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
5783 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
5784 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
5785 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
5786 suitable transformation.
5787
5788 @example
5789 latex_name(const string & n)
5790 @end example
5791
5792 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
5793 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
5794
5795 @example
5796 do_not_evalf_params()
5797 @end example
5798
5799 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
5800 function before calling the @code{evalf_func()}.
5801
5802 @example
5803 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
5804 @end example
5805
5806 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
5807 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
5808 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
5809 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
5810 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
5811 commutation properties of their first argument.
5812
5813 @example
5814 set_symmetry(const symmetry & s)
5815 @end example
5816
5817 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
5818 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
5819 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
5820 symmetric functions into a canonical order.
5821
5822 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
5823 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
5824 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
5825 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
5826 with the
5827
5828 @example
5829 print_func<C>(<C++ function>)
5830 @end example
5831
5832 option which is explained in the next section.
5833
5834
5835 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
5836 @c    node-name, next, previous, up
5837 @section GiNaC's expression output system
5838
5839 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
5840 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
5841 is implemented internally, and how to define your own output formats or
5842 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
5843 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
5844 functions.
5845
5846 @cindex @code{print_context} (class)
5847 @cindex @code{print_dflt} (class)
5848 @cindex @code{print_latex} (class)
5849 @cindex @code{print_tree} (class)
5850 @cindex @code{print_csrc} (class)
5851 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
5852 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
5853 header file:
5854
5855 @table @code
5856 @item print_dflt
5857 the default output format
5858 @item print_latex
5859 output in LaTeX mathematical mode
5860 @item print_tree
5861 a dump of the internal expression structure (for debugging)
5862 @item print_csrc
5863 the base class for C source output
5864 @item print_csrc_float
5865 C source output using the @code{float} type
5866 @item print_csrc_double
5867 C source output using the @code{double} type
5868 @item print_csrc_cl_N
5869 C source output using CLN types
5870 @end table
5871
5872 The @code{print_context} base class provides two public data members:
5873
5874 @example
5875 class print_context
5876 @{
5877     ...
5878 public:
5879     std::ostream & s;
5880     unsigned options;
5881 @};
5882 @end example
5883
5884 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
5885 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
5886 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
5887 to print the index dimension which is normally hidden.
5888
5889 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
5890 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
5891 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
5892 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
5893
5894 @cindex @code{print()}
5895 @example
5896 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
5897 @end example
5898
5899 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
5900 top-level algebraic object contained in the expression.
5901
5902 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
5903 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
5904 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
5905 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
5906 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
5907 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
5908 (single) virtual function dispatch.
5909
5910 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
5911 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
5912 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
5913 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
5914 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
5915 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
5916 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
5917 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
5918 object's class name enclosed in square brackets).
5919
5920 You can think of the print methods of all the different classes and output
5921 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
5922 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
5923 classes.
5924
5925 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
5926 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
5927 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
5928 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
5929 methods at run-time).
5930
5931 @subsection Print methods for classes
5932
5933 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
5934 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
5935 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
5936 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
5937 can also be used to override existing methods dynamically.
5938
5939 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
5940 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
5941 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
5942 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
5943 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
5944 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
5945 the class is the one being implemented by
5946 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
5947
5948 For print methods that are member functions, their first argument must be of
5949 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
5950 @code{unsigned}.
5951
5952 For static members and global functions, the first argument must be of a type
5953 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
5954 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
5955 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
5956 private and protected members of @code{T}.
5957
5958 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
5959 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
5960 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
5961 purposes if you write your own output formats.
5962
5963 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
5964 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
5965 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
5966 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
5967
5968 @example
5969 void my_print_power_as_latex(const power & p,
5970                              const print_latex & c,
5971                              unsigned level)
5972 @{
5973     // get the precedence of the 'power' class
5974     unsigned power_prec = p.precedence();
5975
5976     // if the parent operator has the same or a higher precedence
5977     // we need parentheses around the power
5978     if (level >= power_prec)
5979         c.s << '(';
5980
5981     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
5982     // separated by an uparrow
5983     c.s << '@{';
5984     p.op(0).print(c, power_prec);
5985     c.s << "@}\\uparrow@{";
5986     p.op(1).print(c, power_prec);
5987     c.s << '@}';
5988
5989     // don't forget the closing parenthesis
5990     if (level >= power_prec)
5991         c.s << ')';
5992 @}
5993                                                                                 
5994 int main()
5995 @{
5996     // a sample expression
5997     symbol x("x"), y("y");
5998     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
5999
6000     // switch to LaTeX mode
6001     cout << latex;
6002
6003     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6004     cout << e << endl;
6005
6006     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6007     // our own one
6008     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6009
6010     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6011     cout << e << endl;
6012 @}
6013 @end example
6014
6015 Some notes:
6016
6017 @itemize
6018
6019 @item
6020 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6021 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6022
6023 @item
6024 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6025 @code{power} objects for the purpose of printing.
6026
6027 @item
6028 The output of products including negative powers as fractions is also
6029 controlled by the @code{mul} class.
6030
6031 @item
6032 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6033 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6034
6035 @end itemize
6036
6037 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6038 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6039 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6040 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6041 sources, find the method that is installed at startup
6042 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6043 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6044
6045 @subsection Print methods for functions
6046
6047 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6048 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6049 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6050 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6051 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6052
6053 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6054
6055 @example
6056 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6057 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6058                                                                                 
6059 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6060 @{
6061     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6062 @}
6063                                                                                 
6064 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6065 @{
6066     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6067 @}
6068                                                                                 
6069 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6070                        evalf_func(abs_evalf).
6071                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6072                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6073                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6074 @end example
6075
6076 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6077 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6078
6079 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6080
6081 @subsection Adding new output formats
6082
6083 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6084 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6085 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6086 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6087 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6088 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6089 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6090 options value.
6091
6092 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6093
6094 @example
6095 class print_myformat : public print_dflt
6096 @{
6097     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6098 public:
6099     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6100      : print_dflt(os, opt) @{@}
6101 @};
6102
6103 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6104
6105 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6106 @end example
6107
6108 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6109 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6110 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6111 format are implemented as print methods, as described above.
6112
6113 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6114 exactly like GiNaC's default output format:
6115
6116 @example
6117 @{
6118     symbol x("x");
6119     ex e = pow(x, 2) + 1;
6120
6121     // this prints "1+x^2"
6122     cout << e << endl;
6123     
6124     // this also prints "1+x^2"
6125     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6126
6127     ...
6128 @}
6129 @end example
6130
6131 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6132 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6133
6134 @example
6135 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6136 // example above for explanations.
6137 void print_power_as_myformat(const power & p,
6138                              const print_myformat & c,
6139                              unsigned level)
6140 @{
6141     unsigned power_prec = p.precedence();
6142     if (level >= power_prec)
6143         c.s << '(';
6144     p.op(0).print(c, power_prec);
6145     c.s << "**";
6146     p.op(1).print(c, power_prec);
6147     if (level >= power_prec)
6148         c.s << ')';
6149 @}
6150
6151 @{
6152     ...
6153     // install a new print method for power objects
6154     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6155
6156     // now this prints "1+x**2"
6157     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6158
6159     // but the default format is still "1+x^2"
6160     cout << e << endl;
6161 @}
6162 @end example
6163
6164
6165 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6166 @c    node-name, next, previous, up
6167 @section Structures
6168
6169 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6170 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6171 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6172 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6173 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6174
6175 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6176 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6177 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6178 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6179 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6180 read both sections because many common concepts and member functions are
6181 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6182 is most suited to your needs.
6183
6184 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6185 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6186 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6187
6188 @subsection Example: scalar products
6189
6190 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6191 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6192 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6193 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6194 product in a C++ @code{struct}:
6195
6196 @example
6197 #include <iostream>
6198 using namespace std;
6199
6200 #include <ginac/ginac.h>
6201 using namespace GiNaC;
6202
6203 struct sprod_s @{
6204     ex left, right;
6205
6206     sprod_s() @{@}
6207     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6208 @};
6209 @end example
6210
6211 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6212 data structure, we need only one line:
6213
6214 @example
6215 typedef structure<sprod_s> sprod;
6216 @end example
6217
6218 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6219 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6220 expressions like any other GiNaC class:
6221
6222 @example
6223 ...
6224     symbol a("a"), b("b");
6225     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6226 ...
6227 @end example
6228
6229 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6230 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6231 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6232 constructed from an @code{sprod_s} object.
6233
6234 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6235 you could define a little wrapper function like this:
6236
6237 @example
6238 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6239 @{
6240     return sprod(sprod_s(left, right));
6241 @}
6242 @end example
6243
6244 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6245 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6246 @code{get_struct()}:
6247
6248 @example
6249 ...
6250     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6251      // -> a
6252     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6253      // -> b
6254 ...
6255 @end example
6256
6257 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6258
6259 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6260 that deal with scalar products, for example:
6261
6262 @example
6263 ex swap_sprod(ex p)
6264 @{
6265     if (is_a<sprod>(p)) @{
6266         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6267         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6268     @} else
6269         return p;
6270 @}
6271
6272 ...
6273     f = swap_sprod(e);
6274      // f is now <b|a>
6275 ...
6276 @end example
6277
6278 @subsection Structure output
6279
6280 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6281 desired, most notably proper output:
6282
6283 @example
6284 ...
6285     cout << e << endl;
6286      // -> [structure object]
6287 ...
6288 @end example
6289
6290 By default, any structure types you define will be printed as
6291 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6292 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6293 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6294 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6295 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6296 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6297
6298 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6299 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6300
6301 @example
6302 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6303 @{
6304     // tree debug output handled by superclass
6305     if (is_a<print_tree>(c))
6306         inherited::print(c, level);
6307
6308     // get the contained sprod_s object
6309     const sprod_s & sp = get_struct();
6310
6311     // print_context::s is a reference to an ostream
6312     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6313 @}
6314 @end example
6315
6316 Now we can print expressions containing scalar products:
6317
6318 @example
6319 ...
6320     cout << e << endl;
6321      // -> <a|b>
6322     cout << swap_sprod(e) << endl;
6323      // -> <b|a>
6324 ...
6325 @end example
6326
6327 @subsection Comparing structures
6328
6329 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6330 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6331 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6332 and undesired behavior:
6333
6334 @example
6335 ...
6336     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6337      // -> 0
6338     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6339      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6340 ...
6341 @end example
6342
6343 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6344 for objects of type @code{sprod_s}:
6345
6346 @example
6347 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6348 @{
6349     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6350 @}
6351
6352 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6353 @{
6354     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6355 @}
6356 @end example
6357
6358 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6359 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6360 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6361 in the implementation of these operators because they would construct
6362 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6363 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6364 decide which one is algebraically 'less').
6365
6366 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6367 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6368
6369 @example
6370 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6371 @end example
6372
6373 @code{sprod} objects then behave as expected:
6374
6375 @example
6376 ...
6377     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6378      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6379     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6380      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6381     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6382      // -> 0
6383     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6384      // -> 2*<a|b>
6385 ...
6386 @end example
6387
6388 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6389 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6390 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6391 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6392 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6393 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6394
6395 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6396 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6397 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6398 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6399 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6400 undefined value) that the @code{T} class might have.
6401
6402 @subsection Subexpressions
6403
6404 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6405 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6406 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6407
6408 @example
6409 size_t sprod::nops() const
6410 @{
6411     return 2;
6412 @}
6413
6414 ex sprod::op(size_t i) const
6415 @{
6416     switch (i) @{
6417     case 0:
6418         return get_struct().left;
6419     case 1:
6420         return get_struct().right;
6421     default:
6422         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
6423     @}
6424 @}
6425 @end example
6426
6427 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
6428 @code{sprod} has two other nice side effects:
6429
6430 @itemize @bullet
6431 @item
6432 @code{has()} works as expected
6433 @item
6434 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
6435 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
6436 @end itemize
6437
6438 @cindex @code{let_op()}
6439 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
6440 allows replacing subexpressions:
6441
6442 @example
6443 ex & sprod::let_op(size_t i)
6444 @{
6445     // every non-const member function must call this
6446     ensure_if_modifiable();
6447
6448     switch (i) @{
6449     case 0:
6450         return get_struct().left;
6451     case 1:
6452         return get_struct().right;
6453     default:
6454         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
6455     @}
6456 @}
6457 @end example
6458
6459 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
6460 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
6461 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
6462 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
6463
6464 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
6465 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
6466 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
6467 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
6468 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
6469 This is left as an exercise for the reader.
6470
6471 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
6472 you can override by specialization to customize the behavior of your
6473 structures. You are referred to the next section for a description of
6474 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
6475 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
6476 @code{structure<T>} template: archiving.
6477
6478 @subsection Archiving structures
6479
6480 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
6481 should first read the next section and then come back here. You're back?
6482 Good.
6483
6484 To implement archiving for structures it is not enough to provide
6485 specializations for the @code{archive()} member function and the
6486 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
6487 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
6488 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
6489 the class of an object is stored as a string, the class name.
6490
6491 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
6492 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
6493 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
6494 need to provide a different name for each by specializing the
6495 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
6496 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
6497
6498 @example
6499 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
6500
6501 void sprod::archive(archive_node & n) const
6502 @{
6503     inherited::archive(n);
6504     n.add_ex("left", get_struct().left);
6505     n.add_ex("right", get_struct().right);
6506 @}
6507
6508 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6509 @{
6510     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
6511     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
6512 @}
6513 @end example
6514
6515 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
6516 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
6517 @code{sprod::unarchive()} function.
6518
6519
6520 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
6521 @c    node-name, next, previous, up
6522 @section Adding classes
6523
6524 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
6525 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
6526 severe of which being that you can't add any new member functions to
6527 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
6528 from scratch.
6529
6530 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
6531 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
6532 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
6533 required member functions are that you have to implement. We only cover the
6534 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
6535 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
6536 representing tensor products is more involved but this section should give
6537 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
6538 classes if you want to implement something more complicated.
6539
6540 @subsection GiNaC's run-time type information system
6541
6542 @cindex hierarchy of classes
6543 @cindex RTTI
6544 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
6545 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
6546 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
6547 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
6548 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
6549 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
6550 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
6551 system that provides this kind of information is called a run-time type
6552 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
6553 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
6554 implements its own, simpler RTTI.
6555
6556 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
6557
6558 @itemize @bullet
6559
6560 @item
6561 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
6562 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
6563 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
6564 classes. They all start with @code{TINFO_}.
6565
6566 @item
6567 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
6568 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
6569 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
6570 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
6571 @file{registrar.h} header file.
6572
6573 @end itemize
6574
6575 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
6576 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
6577 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
6578 macros.
6579
6580 @subsection A minimalistic example
6581
6582 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
6583 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
6584 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
6585 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
6586 for your own classes.
6587
6588 The code snippets given here assume that you have included some header files
6589 as follows:
6590
6591 @example
6592 #include <iostream>
6593 #include <string>   
6594 #include <stdexcept>
6595 using namespace std;
6596
6597 #include <ginac/ginac.h>
6598 using namespace GiNaC;
6599 @end example
6600
6601 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
6602 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
6603 by one of the existing classes but it's better to come up with something
6604 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
6605 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
6606 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
6607
6608 @example
6609 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
6610 @end example
6611
6612 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
6613 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
6614 object from a C or C++ string:
6615
6616 @example
6617 class mystring : public basic
6618 @{
6619     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6620   
6621 public:
6622     mystring(const string &s);
6623     mystring(const char *s);
6624
6625 private:
6626     string str;
6627 @};
6628
6629 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6630 @end example
6631
6632 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
6633 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
6634 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
6635 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
6636 the first line after the opening brace of the class definition. The
6637 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
6638 source (at global scope, of course, not inside a function).
6639
6640 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
6641 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
6642 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
6643 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
6644 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
6645 class with the GiNaC RTTI (there is also a
6646 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
6647 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
6648
6649 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
6650 class:
6651
6652 @itemize
6653
6654 @item
6655 @code{mystring()}, the default constructor.
6656
6657 @item
6658 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
6659 information needed to reconstruct an object of this class inside an
6660 @code{archive_node}.
6661
6662 @item
6663 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
6664 constructor. This constructs an instance of the class from the information
6665 found in an @code{archive_node}.
6666
6667 @item
6668 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
6669 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
6670 constructor.
6671
6672 @item
6673 @cindex @code{compare_same_type()}
6674 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
6675 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
6676 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
6677 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
6678 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
6679 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
6680 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
6681 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
6682 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
6683 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
6684 defined.
6685
6686 @item
6687 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
6688 which are the two constructors we declared.
6689
6690 @end itemize
6691
6692 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
6693
6694 @example
6695 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
6696 @end example
6697
6698 The golden rule is that in all constructors you have to set the
6699 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
6700 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
6701 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
6702 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
6703 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
6704 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
6705 to the right value manually.
6706
6707 In the default constructor you should set all other member variables to
6708 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
6709 member gets set to an empty string automatically).
6710
6711 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
6712 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
6713 is really simple.  First, the archiving function:
6714
6715 @example
6716 void mystring::archive(archive_node &n) const
6717 @{
6718     inherited::archive(n);
6719     n.add_string("string", str);
6720 @}
6721 @end example
6722
6723 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
6724 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
6725 deem necessary for representing the object into the passed
6726 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
6727 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
6728 file.
6729
6730 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
6731 function:
6732
6733 @example
6734 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6735 @{
6736     n.find_string("string", str);
6737 @}
6738 @end example
6739
6740 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
6741 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
6742 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
6743 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
6744
6745 Finally, the unarchiving function:
6746
6747 @example
6748 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
6749 @{
6750     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
6751 @}
6752 @end example
6753
6754 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
6755 four lines into your code literally (replacing the class name, of
6756 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
6757 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
6758 to global objects) you don't need a different implementation. For those
6759 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
6760 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
6761 automatically once it is no longer referenced.
6762
6763 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
6764 the string members:
6765
6766 @example
6767 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
6768 @{
6769     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
6770     int cmpval = str.compare(o.str);
6771     if (cmpval == 0)
6772         return 0;
6773     else if (cmpval < 0)
6774         return -1;
6775     else
6776         return 1;
6777 @}
6778 @end example
6779
6780 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
6781 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
6782 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
6783 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
6784 all relevant member variables.
6785
6786 Now the only thing missing is our two new constructors:
6787
6788 @example
6789 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6790 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6791 @end example
6792
6793 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
6794 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
6795
6796 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
6797 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
6798
6799 @example
6800 ex e = mystring("Hello, world!");
6801 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
6802  // -> 1 (true)
6803
6804 cout << e.bp->class_name() << endl;
6805  // -> mystring
6806 @end example
6807
6808 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
6809
6810 @example
6811 cout << e << endl;
6812  // -> [mystring object]
6813 @end example
6814
6815 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
6816 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
6817 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
6818 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
6819 surrounded by double quotes:
6820
6821 @example
6822 class mystring : public basic
6823 @{
6824     ...
6825 protected:
6826     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
6827     ...
6828 @};
6829
6830 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
6831 @{
6832     // print_context::s is a reference to an ostream
6833     c.s << '\"' << str << '\"';
6834 @}
6835 @end example
6836
6837 The @code{level} argument is only required for container classes to
6838 correctly parenthesize the output.
6839
6840 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
6841 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
6842 replace the line
6843
6844 @example
6845 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6846 @end example
6847
6848 with
6849
6850 @example
6851 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
6852   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
6853 @end example
6854
6855 Let's try again to print the expression:
6856
6857 @example
6858 cout << e << endl;
6859  // -> "Hello, world!"
6860 @end example
6861
6862 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
6863 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
6864 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
6865 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
6866 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
6867 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
6868 way expression output is implemented in GiNaC.
6869
6870 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
6871
6872 @example
6873 e += mystring("GiNaC rulez"); 
6874 cout << e << endl;
6875  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
6876 @end example
6877
6878 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
6879
6880 @example
6881 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
6882 cout << e << endl;
6883  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
6884 @end example
6885
6886 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
6887 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
6888 for your objects.
6889
6890 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
6891
6892 @example
6893 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
6894 cout << e << endl;
6895  // -> "Wow"^2
6896
6897 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
6898 cout << e.expand() << endl;
6899  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
6900 @end example
6901
6902 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
6903 concatenation. You would have to implement this yourself.
6904
6905 @subsection Automatic evaluation
6906
6907 @cindex evaluation
6908 @cindex @code{eval()}
6909 @cindex @code{hold()}
6910 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
6911 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
6912 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
6913 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
6914 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
6915 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
6916
6917 @example
6918 class mystring : public basic
6919 @{
6920     ...
6921 public:
6922     ex eval(int level = 0) const;
6923     ...
6924 @};
6925
6926 ex mystring::eval(int level) const
6927 @{
6928     string new_str;
6929     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
6930         char c = str[i];
6931         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
6932             new_str += tolower(c);
6933         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
6934             new_str += c;
6935     @}
6936
6937     if (new_str.length() == 0)
6938         return 0;
6939     else
6940         return mystring(new_str).hold();
6941 @}
6942 @end example
6943
6944 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
6945 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
6946 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
6947 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
6948 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
6949 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
6950 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
6951 unmodified, use @code{return this->hold();}.
6952
6953 Let's confirm that it works:
6954
6955 @example
6956 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
6957 cout << e << endl;
6958  // -> "helloworld"
6959
6960 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
6961 cout << e << endl;
6962  // -> 3*"wow"
6963 @end example
6964
6965 @subsection Optional member functions
6966
6967 We have implemented only a small set of member functions to make the class
6968 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
6969 required but will make operations with objects of the class more efficient:
6970
6971 @cindex @code{calchash()}
6972 @cindex @code{is_equal_same_type()}
6973 @example
6974 unsigned calchash() const;
6975 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
6976 @end example
6977
6978 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
6979 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
6980 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
6981 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
6982 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
6983 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
6984
6985 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
6986 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
6987 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
6988 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
6989
6990 @subsection Other member functions
6991
6992 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
6993 might want to provide:
6994
6995 @example
6996 bool info(unsigned inf) const;
6997 ex evalf(int level = 0) const;
6998 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
6999 ex derivative(const symbol & s) const;
7000 @end example
7001
7002 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7003 previous section) you will probably want to override
7004
7005 @cindex @code{let_op()}
7006 @example
7007 size_t nops() cont;
7008 ex op(size_t i) const;
7009 ex & let_op(size_t i);
7010 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7011 ex map(map_function & f) const;
7012 @end example
7013
7014 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7015 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7016 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7017
7018 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7019 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7020 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7021 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7022 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7023 should become a need.
7024
7025 That's it. May the source be with you!
7026
7027
7028 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7029 @c    node-name, next, previous, up
7030 @chapter A Comparison With Other CAS
7031 @cindex advocacy
7032
7033 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7034 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7035 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7036 disadvantages over these systems.
7037
7038 @menu
7039 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7040 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7041 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7042 @end menu
7043
7044 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7045 @c    node-name, next, previous, up
7046 @section Advantages
7047
7048 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7049 Algebra Systems, like 
7050
7051 @itemize @bullet
7052
7053 @item
7054 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7055 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7056 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7057 in common C++, which is standardized.
7058
7059 @cindex STL
7060 @item
7061 structured data types: you can build up structured data types using
7062 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7063 using unnamed lists of lists of lists.
7064
7065 @item
7066 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7067 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7068 nice for novice programmers, but dangerous.
7069     
7070 @item
7071 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7072 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7073 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7074
7075 @item
7076 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7077 separating interface and implementation.
7078
7079 @item
7080 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7081 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7082 C++-compilers for free, too.
7083     
7084 @item
7085 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7086 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7087 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7088 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7089 fix bugs in a traditional system.
7090
7091 @item
7092 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7093 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7094 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7095 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7096 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7097 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7098 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7099 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7100 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7101 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7102 FTP-site.
7103
7104 @item
7105 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7106 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7107 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7108 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7109 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7110 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7111 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7112 system (i.e. @emph{Yacas}).
7113
7114 @item
7115 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7116 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7117 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7118 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7119 speed with other CAS.
7120
7121 @end itemize
7122
7123
7124 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7125 @c    node-name, next, previous, up
7126 @section Disadvantages
7127
7128 Of course it also has some disadvantages:
7129
7130 @itemize @bullet
7131
7132 @item
7133 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7134 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7135 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7136 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7137 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7138 not planned for the near future).
7139
7140 @item
7141 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7142 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7143 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7144 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7145 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7146 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7147 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7148 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7149 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7150 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7151 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7152 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7153 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7154 yet ANSI compliant, support all needed features.
7155     
7156 @end itemize
7157
7158
7159 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7160 @c    node-name, next, previous, up
7161 @section Why C++?
7162
7163 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7164 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7165 possible), separation between interface and implementation is not
7166 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7167 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7168 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7169 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7170 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7171 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7172 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7173 any other programming language.
7174
7175
7176 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7177 @c    node-name, next, previous, up
7178 @appendix Internal Structures
7179
7180 @menu
7181 * Expressions are reference counted::
7182 * Internal representation of products and sums::
7183 @end menu
7184
7185 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7186 @c    node-name, next, previous, up
7187 @appendixsection Expressions are reference counted
7188
7189 @cindex reference counting
7190 @cindex copy-on-write
7191 @cindex garbage collection
7192 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7193 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7194 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7195 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7196 skip the rest of this passage.
7197
7198 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7199 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7200 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7201 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7202 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7203 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7204 of code:
7205
7206 @example
7207 #include <iostream>
7208 #include <ginac/ginac.h>
7209 using namespace std;
7210 using namespace GiNaC;
7211
7212 int main()
7213 @{
7214     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7215     ex e1, e2;
7216
7217     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7218     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7219     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7220     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7221     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7222 @}
7223 @end example
7224
7225 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7226 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7227 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7228 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7229 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7230 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7231 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7232 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7233 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7234 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7235 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7236 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7237 can be:
7238
7239 @example
7240 @{
7241     symbol x("x"), y("y");
7242
7243     ex e1 = x + 3*y;
7244     ex e2 = pow(e1, 3);
7245     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7246     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7247          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7248          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7249 @}
7250 @end example
7251
7252 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7253 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7254 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7255 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7256 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7257 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7258 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7259 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7260 @code{3*e1^2}.
7261
7262 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7263 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7264 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7265 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7266 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7267 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7268 semantics, we recommend you have a look at the
7269 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7270 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7271 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7272
7273
7274 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7275 @c    node-name, next, previous, up
7276 @appendixsection Internal representation of products and sums
7277
7278 @cindex representation
7279 @cindex @code{add}
7280 @cindex @code{mul}
7281 @cindex @code{power}
7282 Although it should be completely transparent for the user of
7283 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7284 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7285 unexpanded symbolic expression 
7286 @tex
7287 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7288 @end tex
7289 @ifnottex
7290 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7291 @end ifnottex
7292 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7293 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7294 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7295 fashion:
7296
7297 @image{repnaive}
7298
7299 @cindex pair-wise representation
7300 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7301 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7302 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7303 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7304 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7305 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7306 becomes much more flat:
7307
7308 @image{reppair}
7309
7310 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7311 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7312 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7313 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7314 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7315 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7316 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7317 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7318 representation, however, since they are still carrying a trivial
7319 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7320 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7321 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7322 representation for
7323 @tex
7324 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7325 @end tex
7326 @ifnottex
7327 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7328 @end ifnottex
7329
7330 @image{repreal}
7331
7332 @cindex radical
7333 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7334 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7335 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7336 same abstract class: the data representation is the same, only the
7337 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7338 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7339 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7340
7341
7342 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7343 @c    node-name, next, previous, up
7344 @appendix Package Tools
7345
7346 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7347 setting the correct command line options for the compiler and linker
7348 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7349
7350 @menu
7351 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7352 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7353 @end menu
7354
7355
7356 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7357 @c    node-name, next, previous, up
7358 @section @command{ginac-config}
7359 @cindex ginac-config
7360
7361 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7362 the compiler and linker command line options required to compile and
7363 link a program with the GiNaC library.
7364
7365 @command{ginac-config} takes the following flags:
7366
7367 @table @samp
7368 @item --version
7369 Prints out the version of GiNaC installed.
7370 @item --cppflags
7371 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7372 @item --libs
7373 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7374 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7375 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7376 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7377 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7378 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7379 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7380 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7381 @end table
7382
7383 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7384 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7385 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7386 example:
7387
7388 @example
7389 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7390 @end example
7391
7392 This command line might expand to (for example):
7393
7394 @example
7395 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7396   -lginac -lcln -lstdc++
7397 @end example
7398
7399 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7400 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7401
7402
7403 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7404 @c    node-name, next, previous, up
7405 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7406 @cindex AM_PATH_GINAC
7407
7408 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7409 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7410
7411 @example
7412 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
7413 @end example
7414
7415 This macro:
7416
7417 @itemize @bullet
7418
7419 @item
7420 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
7421 either found in the user's path, or from the environment variable
7422 @env{GINACLIB_CONFIG}.
7423
7424 @item
7425 Tests the installed libraries to make sure that their version
7426 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
7427 if not specified)
7428
7429 @item
7430 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
7431 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
7432 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
7433 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
7434 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
7435
7436 @item
7437 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
7438 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
7439
7440 @end itemize
7441
7442 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
7443 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
7444 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
7445 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
7446 aclocal the @samp{-I} option when running it.
7447
7448 @menu
7449 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
7450 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
7451 @end menu
7452
7453
7454 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
7455 @c    node-name, next, previous, up
7456 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
7457
7458 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
7459 the configure script.
7460
7461 Notes:
7462
7463 @itemize @bullet
7464
7465 @item
7466 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
7467 to be found by your system's dynamic linker.
7468   
7469 This is generally done by
7470
7471 @display
7472 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
7473 @end display
7474
7475 or by
7476    
7477 @display
7478 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
7479 @end display
7480
7481 or, as a last resort, 
7482  
7483 @display
7484 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
7485 running configure, for instance:
7486
7487 @example
7488 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
7489 @end example
7490 @end display
7491
7492 @item
7493 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
7494 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
7495 name of the executable
7496
7497 @item
7498 If you move the GiNaC package from its installed location,
7499 you will either need to modify @command{ginac-config} script
7500 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
7501
7502 @end itemize
7503
7504 Advanced note:
7505
7506 @itemize @bullet
7507 @item
7508 configure flags
7509   
7510 @example
7511 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
7512 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
7513 @end example
7514
7515 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
7516 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
7517 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
7518 @end itemize
7519
7520
7521 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
7522 @c    node-name, next, previous, up
7523 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
7524
7525 The following shows how to build a simple package using automake
7526 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
7527
7528 @example
7529 #include <iostream>
7530 #include <ginac/ginac.h>
7531
7532 int main()
7533 @{
7534     GiNaC::symbol x("x");
7535     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
7536     std::cout << "Derivative of " << a 
7537               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
7538     return 0;
7539 @}
7540 @end example
7541
7542 You should first read the introductory portions of the automake
7543 Manual, if you are not already familiar with it.
7544
7545 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
7546 configure script:
7547
7548 @example
7549 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
7550 AC_INIT(simple.cpp)
7551 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
7552
7553 AC_PROG_CXX
7554 AC_PROG_INSTALL
7555 AC_LANG_CPLUSPLUS
7556
7557 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
7558   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
7559   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
7560 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
7561
7562 AC_OUTPUT(Makefile)
7563 @end example
7564
7565 The only command in this which is not standard for automake
7566 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
7567
7568 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
7569 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
7570 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
7571 the error message `need to have GiNaC installed'
7572
7573 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
7574
7575 @example
7576 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
7577 bin_PROGRAMS = simple
7578 simple_SOURCES = simple.cpp
7579 @end example
7580
7581 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
7582 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
7583 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
7584 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
7585 want to specify them on a per-program basis: for instance by
7586 adding the lines:
7587
7588 @example
7589 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
7590 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
7591 @end example
7592
7593 to the @file{Makefile.am}.
7594
7595 To try this example out, create a new directory and add the three
7596 files above to it.
7597
7598 Now execute the following commands:
7599
7600 @example
7601 $ automake --add-missing
7602 $ aclocal
7603 $ autoconf
7604 @end example
7605
7606 You now have a package that can be built in the normal fashion
7607
7608 @example
7609 $ ./configure
7610 $ make
7611 $ make install
7612 @end example
7613
7614
7615 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
7616 @c    node-name, next, previous, up
7617 @appendix Bibliography
7618
7619 @itemize @minus{}
7620
7621 @item
7622 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
7623
7624 @item
7625 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
7626
7627 @item
7628 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
7629
7630 @item
7631 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
7632
7633 @item
7634 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
7635 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
7636
7637 @item
7638 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
7639 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
7640 Academic Press, London
7641
7642 @item
7643 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
7644 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
7645
7646 @item
7647 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
7648 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
7649
7650 @item
7651 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
7652 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
7653
7654 @item
7655 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
7656
7657 @end itemize
7658
7659
7660 @node Concept Index, , Bibliography, Top
7661 @c    node-name, next, previous, up
7662 @unnumbered Concept Index
7663
7664 @printindex cp
7665
7666 @bye