]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Made class possymbol for positive symbols and documented it.
[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) 1999-2006 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2006 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{} 1999-2006 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The class hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1159 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1160 allows you to specify
1161 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1162 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1163
1164 @cindex @code{possymbol()}
1165 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1166 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1167 @code{x}. This is done by declaying the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1168
1169
1170 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1171 @c    node-name, next, previous, up
1172 @section Numbers
1173 @cindex @code{numeric} (class)
1174
1175 @cindex GMP
1176 @cindex CLN
1177 @cindex rational
1178 @cindex fraction
1179 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1180 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1181 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1182 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1183 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1184 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1185 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1186 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1187 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1188 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1189 several useful things: First, it introduces the complex number field
1190 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1191 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1192 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1193 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1194 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1195 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1196 calculation of some useful constants.
1197
1198 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1199 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1200 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1201 integers, construction from C-float and construction from a string:
1202
1203 @example
1204 #include <iostream>
1205 #include <ginac/ginac.h>
1206 using namespace GiNaC;
1207
1208 int main()
1209 @{
1210     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1211     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1212     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1213     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1214     // Trott's constant in scientific notation:
1215     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1216     
1217     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1218     ...
1219 @end example
1220
1221 @cindex @code{I}
1222 @cindex complex numbers
1223 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1224 name @code{I}:
1225
1226 @example
1227     ...
1228     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1229     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1230 @}
1231 @end example
1232
1233 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1234 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1235 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1236 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1237 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1238 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1239 also.
1240
1241 @cindex @code{Digits}
1242 @cindex accuracy
1243 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1244 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1245 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1246 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1247 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1248 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1249 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1250 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1251 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1252 digits:
1253
1254 @example
1255 #include <iostream>
1256 #include <ginac/ginac.h>
1257 using namespace std;
1258 using namespace GiNaC;
1259
1260 void foo()
1261 @{
1262     numeric three(3.0), one(1.0);
1263     numeric x = one/three;
1264
1265     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1266     cout << x << endl;
1267     cout << Pi.evalf() << endl;
1268 @}
1269
1270 int main()
1271 @{
1272     foo();
1273     Digits = 60;
1274     foo();
1275     return 0;
1276 @}
1277 @end example
1278
1279 The above example prints the following output to screen:
1280
1281 @example
1282 in 17 digits:
1283 0.33333333333333333334
1284 3.1415926535897932385
1285 in 60 digits:
1286 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1287 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1288 @end example
1289
1290 @cindex rounding
1291 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1292 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1293 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1294 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1295 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1296 architectures with different word size, the above output might even
1297 differ with regard to actually computed digits.
1298
1299 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1300 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1301 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1302
1303 @subsection Tests on numbers
1304
1305 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1306 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1307 kind of information from them like asking whether that number is
1308 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1309 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1310 certain CLN functions.)
1311
1312 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1313 some multiple of its denominator and test what comes out:
1314
1315 @example
1316 #include <iostream>
1317 #include <ginac/ginac.h>
1318 using namespace std;
1319 using namespace GiNaC;
1320
1321 // some very important constants:
1322 const numeric twentyone(21);
1323 const numeric ten(10);
1324 const numeric five(5);
1325
1326 int main()
1327 @{
1328     numeric answer = twentyone;
1329
1330     answer /= five;
1331     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1332     answer *= ten;
1333     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1334 @}
1335 @end example
1336
1337 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1338 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1339 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1340 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1341 the result is automatically converted to a pure integer again.
1342 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1343 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1344 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1345 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1346 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1347 can be applied is listed in the following table.
1348
1349 @cartouche
1350 @multitable @columnfractions .30 .70
1351 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1352 @item @code{.is_zero()}
1353 @tab @dots{}equal to zero
1354 @item @code{.is_positive()}
1355 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1356 @item @code{.is_integer()}
1357 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1358 @item @code{.is_pos_integer()}
1359 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1360 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1361 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1362 @item @code{.is_even()}
1363 @tab @dots{}an even integer
1364 @item @code{.is_odd()}
1365 @tab @dots{}an odd integer
1366 @item @code{.is_prime()}
1367 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1368 @item @code{.is_rational()}
1369 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1370 @item @code{.is_real()}
1371 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1372 @item @code{.is_cinteger()}
1373 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1374 @item @code{.is_crational()}
1375 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1376 @end multitable
1377 @end cartouche
1378
1379 @subsection Numeric functions
1380
1381 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1382 evaluated immediately:
1383
1384 @cartouche
1385 @multitable @columnfractions .30 .70
1386 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1387 @item @code{inverse(z)}
1388 @tab returns @math{1/z}
1389 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1390 @item @code{pow(a, b)}
1391 @tab exponentiation @math{a^b}
1392 @item @code{abs(z)}
1393 @tab absolute value
1394 @item @code{real(z)}
1395 @tab real part
1396 @cindex @code{real()}
1397 @item @code{imag(z)}
1398 @tab imaginary part
1399 @cindex @code{imag()}
1400 @item @code{csgn(z)}
1401 @tab complex sign (returns an @code{int})
1402 @item @code{step(x)}
1403 @tab step function (returns an @code{numeric})
1404 @item @code{numer(z)}
1405 @tab numerator of rational or complex rational number
1406 @item @code{denom(z)}
1407 @tab denominator of rational or complex rational number
1408 @item @code{sqrt(z)}
1409 @tab square root
1410 @item @code{isqrt(n)}
1411 @tab integer square root
1412 @cindex @code{isqrt()}
1413 @item @code{sin(z)}
1414 @tab sine
1415 @item @code{cos(z)}
1416 @tab cosine
1417 @item @code{tan(z)}
1418 @tab tangent
1419 @item @code{asin(z)}
1420 @tab inverse sine
1421 @item @code{acos(z)}
1422 @tab inverse cosine
1423 @item @code{atan(z)}
1424 @tab inverse tangent
1425 @item @code{atan(y, x)}
1426 @tab inverse tangent with two arguments
1427 @item @code{sinh(z)}
1428 @tab hyperbolic sine
1429 @item @code{cosh(z)}
1430 @tab hyperbolic cosine
1431 @item @code{tanh(z)}
1432 @tab hyperbolic tangent
1433 @item @code{asinh(z)}
1434 @tab inverse hyperbolic sine
1435 @item @code{acosh(z)}
1436 @tab inverse hyperbolic cosine
1437 @item @code{atanh(z)}
1438 @tab inverse hyperbolic tangent
1439 @item @code{exp(z)}
1440 @tab exponential function
1441 @item @code{log(z)}
1442 @tab natural logarithm
1443 @item @code{Li2(z)}
1444 @tab dilogarithm
1445 @item @code{zeta(z)}
1446 @tab Riemann's zeta function
1447 @item @code{tgamma(z)}
1448 @tab gamma function
1449 @item @code{lgamma(z)}
1450 @tab logarithm of gamma function
1451 @item @code{psi(z)}
1452 @tab psi (digamma) function
1453 @item @code{psi(n, z)}
1454 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1455 @item @code{factorial(n)}
1456 @tab factorial function @math{n!}
1457 @item @code{doublefactorial(n)}
1458 @tab double factorial function @math{n!!}
1459 @cindex @code{doublefactorial()}
1460 @item @code{binomial(n, k)}
1461 @tab binomial coefficients
1462 @item @code{bernoulli(n)}
1463 @tab Bernoulli numbers
1464 @cindex @code{bernoulli()}
1465 @item @code{fibonacci(n)}
1466 @tab Fibonacci numbers
1467 @cindex @code{fibonacci()}
1468 @item @code{mod(a, b)}
1469 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1470 @cindex @code{mod()}
1471 @item @code{smod(a, b)}
1472 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1473 @cindex @code{smod()}
1474 @item @code{irem(a, b)}
1475 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1476 @cindex @code{irem()}
1477 @item @code{irem(a, b, q)}
1478 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1479 @item @code{iquo(a, b)}
1480 @tab integer quotient
1481 @cindex @code{iquo()}
1482 @item @code{iquo(a, b, r)}
1483 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1484 @item @code{gcd(a, b)}
1485 @tab greatest common divisor
1486 @item @code{lcm(a, b)}
1487 @tab least common multiple
1488 @end multitable
1489 @end cartouche
1490
1491 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1492 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1493 as polynomial algorithms.
1494
1495 @subsection Converting numbers
1496
1497 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1498 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1499 class provides a couple of methods for this purpose:
1500
1501 @cindex @code{to_int()}
1502 @cindex @code{to_long()}
1503 @cindex @code{to_double()}
1504 @cindex @code{to_cl_N()}
1505 @example
1506 int numeric::to_int() const;
1507 long numeric::to_long() const;
1508 double numeric::to_double() const;
1509 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1510 @end example
1511
1512 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1513 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1514 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1515 rational number will return a floating-point approximation. Both
1516 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1517 part of complex numbers.
1518
1519
1520 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1521 @c    node-name, next, previous, up
1522 @section Constants
1523 @cindex @code{constant} (class)
1524
1525 @cindex @code{Pi}
1526 @cindex @code{Catalan}
1527 @cindex @code{Euler}
1528 @cindex @code{evalf()}
1529 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1530 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1531
1532 The predefined known constants are:
1533
1534 @cartouche
1535 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1536 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1537 @item @code{Pi}
1538 @tab Archimedes' constant
1539 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1540 @item @code{Catalan}
1541 @tab Catalan's constant
1542 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1543 @item @code{Euler}
1544 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1545 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1546 @end multitable
1547 @end cartouche
1548
1549
1550 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1551 @c    node-name, next, previous, up
1552 @section Sums, products and powers
1553 @cindex polynomial
1554 @cindex @code{add}
1555 @cindex @code{mul}
1556 @cindex @code{power}
1557
1558 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1559 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1560 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1561 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1562 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1563 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1564 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1565 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1566
1567 @example
1568     ...
1569     symbol a("a"), b("b");
1570     ex MyTerm = 1+a*b;
1571     ...
1572 @end example
1573
1574 @cindex @code{pow()}
1575 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1576 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1577 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1578 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1579 have several counterintuitive and undesired effects:
1580
1581 @itemize @bullet
1582 @item
1583 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1584 @item
1585 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1586 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1587 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1588 @item
1589 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1590 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1591 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1592 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1593 has requested @code{2^3}.)
1594 @end itemize
1595
1596 @cindex @command{ginsh}
1597 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1598 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1599 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1600 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1601 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1602 not exist at all in C++).
1603
1604 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1605 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1606 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1607 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1608 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1609 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1610 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1611 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1612 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1613 @code{x} negative.
1614
1615 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1616 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1617 and safe simplifications are carried out like transforming
1618 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1619
1620
1621 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1622 @c    node-name, next, previous, up
1623 @section Lists of expressions
1624 @cindex @code{lst} (class)
1625 @cindex lists
1626 @cindex @code{nops()}
1627 @cindex @code{op()}
1628 @cindex @code{append()}
1629 @cindex @code{prepend()}
1630 @cindex @code{remove_first()}
1631 @cindex @code{remove_last()}
1632 @cindex @code{remove_all()}
1633
1634 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1635 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1636 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1637 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1638 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1639
1640 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1641 expressions:
1642
1643 @example
1644 @{
1645     symbol x("x"), y("y");
1646     lst l;
1647     l = x, 2, y, x+y;
1648     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1649     // in that order
1650     ...
1651 @end example
1652
1653 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1654 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1655
1656 @example
1657     ...
1658     // This produces the same list 'l' as above:
1659     // lst l(x, 2, y, x+y);
1660     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1661     ...
1662 @end example
1663
1664 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1665 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1666 individual elements:
1667
1668 @example
1669     ...
1670     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1671     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1672     ...
1673 @end example
1674
1675 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1676 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1677 sequential access to the elements of a list is possible with the
1678 iterator types provided by the @code{lst} class:
1679
1680 @example
1681 typedef ... lst::const_iterator;
1682 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1683 lst::const_iterator lst::begin() const;
1684 lst::const_iterator lst::end() const;
1685 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1686 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1687 @end example
1688
1689 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1690
1691 @example
1692     ...
1693     // O(N)
1694     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1695         cout << *i << endl;
1696     ...
1697 @end example
1698
1699 which is one order faster than
1700
1701 @example
1702     ...
1703     // O(N^2)
1704     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1705         cout << l.op(i) << endl;
1706     ...
1707 @end example
1708
1709 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1710 the C++ standard library:
1711
1712 @example
1713     ...
1714     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1715     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1716
1717     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1718     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1719     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1720     ...
1721 @end example
1722
1723 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1724 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1725
1726 @example
1727     ...
1728     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1729     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1730     ...
1731 @end example
1732
1733 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1734 and @code{prepend()} methods:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1739     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1740     ...
1741 @end example
1742
1743 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1744 and @code{remove_last()}:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1749     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     l.remove_all();     // l is now empty
1758     ...
1759 @end example
1760
1761 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1762
1763 @example
1764     ...
1765     lst l1, l2;
1766     l1 = x, 2, y, x+y;
1767     l2 = 2, x+y, x, y;
1768     l1.sort();
1769     l2.sort();
1770     // l1 and l2 are now equal
1771     ...
1772 @end example
1773
1774 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1775 elements with @code{unique()}:
1776
1777 @example
1778     ...
1779     lst l3;
1780     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1781     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1782 @}
1783 @end example
1784
1785
1786 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1787 @c    node-name, next, previous, up
1788 @section Mathematical functions
1789 @cindex @code{function} (class)
1790 @cindex trigonometric function
1791 @cindex hyperbolic function
1792
1793 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1794 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1795 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1796
1797 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1798 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1799 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1800 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1801 the next example, showing how a function returns itself twice and
1802 finally an expression that may be really useful:
1803
1804 @cindex Gamma function
1805 @cindex @code{subs()}
1806 @example
1807     ...
1808     symbol x("x"), y("y");    
1809     ex foo = x+y/2;
1810     cout << tgamma(foo) << endl;
1811      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1812     ex bar = foo.subs(y==1);
1813     cout << tgamma(bar) << endl;
1814      // -> tgamma(x+1/2)
1815     ex foobar = bar.subs(x==7);
1816     cout << tgamma(foobar) << endl;
1817      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1818     ...
1819 @end example
1820
1821 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1822 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1823 this.
1824
1825 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1826 functions, where the argument list is templated.  This means that
1827 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1828 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1829 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1830 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1831 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1832 point number of class @code{numeric} you should call
1833 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1834 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1835 wrapped inside an @code{ex}.
1836
1837
1838 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1839 @c    node-name, next, previous, up
1840 @section Relations
1841 @cindex @code{relational} (class)
1842
1843 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1844 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1845 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1846 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1847 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1848 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1849
1850 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1851 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1852 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1853 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1854 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1855 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1856 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1857 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1858 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1859 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1860 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1861 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1862 @code{expand()} must be called explicitly.
1863
1864 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1865 @c    node-name, next, previous, up
1866 @section Integrals
1867 @cindex @code{integral} (class)
1868
1869 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1870 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1871 1, you would write this as
1872 @example
1873 integral(x, 0, 1, x*x)
1874 @end example
1875 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1876 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1877 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1878 can be evaluated symbolically by calling the
1879 @example
1880 .eval_integ()
1881 @end example
1882 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1883 @example
1884 .evalf()
1885 @end example
1886 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1887 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1888 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1889 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1890 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1891 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1892 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1893 integrals is determined by the static member variable
1894 @example
1895 ex integral::relative_integration_error
1896 @end example
1897 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1898 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1899 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1900 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1901 variable
1902 @example
1903 int integral::max_integration_level
1904 @end example
1905 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1906 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1907 evaluation, is also available as
1908 @example
1909 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1910 const ex & error)
1911 @end example
1912 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1913 last parameter of the function is optional and defaults to the
1914 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1915 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1916 a lookup table is used.
1917
1918 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1919 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1920 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1921 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1922 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1923 with respect to the integration variable.
1924
1925 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1926 @c    node-name, next, previous, up
1927 @section Matrices
1928 @cindex @code{matrix} (class)
1929
1930 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1931 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1932 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1933 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1934
1935 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1936 elements. The constructor
1937
1938 @example
1939 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1940 @end example
1941
1942 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1943 set to zero.
1944
1945 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1946 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1947 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1948
1949 @example
1950 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1951 @end example
1952
1953 The function
1954
1955 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1956 @example
1957 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1958 @end example
1959
1960 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1961
1962 There is also a set of functions for creating some special types of
1963 matrices:
1964
1965 @cindex @code{diag_matrix()}
1966 @cindex @code{unit_matrix()}
1967 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1968 @example
1969 ex diag_matrix(const lst & l);
1970 ex unit_matrix(unsigned x);
1971 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1972 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1973 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1974                    const string & tex_base_name);
1975 @end example
1976
1977 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1978 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1979 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1980 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1981 and the position of each element in the matrix.
1982
1983 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1984 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1985 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1986 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1987 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1988 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1989
1990 @cindex @code{sub_matrix()}
1991 @cindex @code{reduced_matrix()}
1992 @example
1993 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1994 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1995 @end example
1996
1997 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1998 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1999 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2000 that specify which row and column to remove:
2001
2002 @example
2003 @{
2004     matrix m(3,3);
2005     m = 11, 12, 13,
2006         21, 22, 23,
2007         31, 32, 33;
2008     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2009     // -> [[11,13],[31,33]]
2010     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2011     // -> [[22,23],[32,33]]
2012 @}
2013 @end example
2014
2015 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2016 operator:
2017
2018 @example
2019 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2020 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2021 @end example
2022
2023 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2024 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2025 @samp{[]} is not available.
2026
2027 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2028
2029 @example
2030 @{
2031     symbol a("a"), b("b");
2032
2033     matrix M(2, 2);
2034     M = a, 0,
2035         0, b;
2036     cout << M << endl;
2037      // -> [[a,0],[0,b]]
2038
2039     matrix M2(2, 2);
2040     M2(0, 0) = a;
2041     M2(1, 1) = b;
2042     cout << M2 << endl;
2043      // -> [[a,0],[0,b]]
2044
2045     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2049      // -> [[a,0],[0,b]]
2050
2051     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2052      // -> [[a,0],[0,b]]
2053
2054     cout << unit_matrix(3) << endl;
2055      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2056
2057     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2058      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2059 @}
2060 @end example
2061
2062 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2063 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2064 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2065 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2066 expression is zero or a zero matrix.
2067
2068 @cindex @code{transpose()}
2069 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2070 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2071
2072 @example
2073 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2074 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2075 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2076 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2077 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2078 matrix matrix::transpose() const;
2079 @end example
2080
2081 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2082 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2083 and @math{C}:
2084
2085 @example
2086 @{
2087     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2088     A =  1, 2,
2089          3, 4;
2090     B = -1, 0,
2091          2, 1;
2092     C =  8, 4,
2093          2, 1;
2094
2095     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2096     cout << result << endl;
2097      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2098     ...
2099 @}
2100 @end example
2101
2102 @cindex @code{evalm()}
2103 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2104 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2105 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2106 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2107 method
2108
2109 @example
2110 ex ex::evalm() const;
2111 @end example
2112
2113 to obtain the result:
2114
2115 @example
2116 @{
2117     ...
2118     ex e = A*B - 2*C;
2119     cout << e << endl;
2120      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2121     cout << e.evalm() << endl;
2122      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2123     ...
2124 @}
2125 @end example
2126
2127 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2128 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2129 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2130 dealing with non-commutative expressions.
2131
2132 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2133 to perform the arithmetic:
2134
2135 @example
2136 @{
2137     ...
2138     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2139     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2140     cout << e << endl;
2141      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2142     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2143      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2144 @}
2145 @end example
2146
2147 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2148 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2149 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2150 more information about using matrices with indices, and about indices in
2151 general.
2152
2153 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2154 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2155
2156 @cindex @code{determinant()}
2157 @cindex @code{trace()}
2158 @cindex @code{charpoly()}
2159 @cindex @code{rank()}
2160 @example
2161 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2162 ex matrix::trace() const;
2163 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2164 unsigned matrix::rank() const;
2165 @end example
2166
2167 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2168 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2169 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2170 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2171 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2172 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2173 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2174 quickly.
2175
2176 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2177 @cindex @code{solve()}
2178 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2179 method and linear systems may be solved with:
2180
2181 @example
2182 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2183                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2184 @end example
2185
2186 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2187 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2188 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2189 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2190 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2191 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2192 overdetermined, an exception is thrown.
2193
2194
2195 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2196 @c    node-name, next, previous, up
2197 @section Indexed objects
2198
2199 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2200 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2201 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2202 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2203
2204 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2205 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2206 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2207 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2208
2209 @cindex @code{idx} (class)
2210 @cindex @code{indexed} (class)
2211 @subsection Indexed quantities and their indices
2212
2213 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2214 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2215
2216 @itemize @bullet
2217
2218 @cindex contravariant
2219 @cindex covariant
2220 @cindex variance
2221 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2222 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2223 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2224 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2225 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2226 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2227
2228 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2229 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2230 one or more indices.
2231
2232 @end itemize
2233
2234 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2235 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2236 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2237 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2238 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2239 not visible in the output.
2240
2241 A simple example shall illustrate the concepts:
2242
2243 @example
2244 #include <iostream>
2245 #include <ginac/ginac.h>
2246 using namespace std;
2247 using namespace GiNaC;
2248
2249 int main()
2250 @{
2251     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2252     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2253
2254     symbol A("A");
2255     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2256      // -> A.i.j
2257     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2258      // -> A.i[3].j[3]
2259     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2260     ...
2261 @end example
2262
2263 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2264 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2265 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2266 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2267 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2268 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2269 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2270 @code{j}.
2271
2272 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2273 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2274 as shown above.
2275
2276 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2277 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2278 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2279 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2280 correct and will raise an exception:
2281
2282 @example
2283 symbol i("i"), j("j");
2284 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2285 @end example
2286
2287 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2288 be numeric, and index dimensions symbolic:
2289
2290 @example
2291     ...
2292     symbol B("B"), dim("dim");
2293     cout << 4 * indexed(A, i)
2294           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2295      // -> B.j.2.i+4*A.i
2296     ...
2297 @end example
2298
2299 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2300 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2301 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2302 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2303 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2304
2305 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2306 arbitrary expressions:
2307
2308 @example
2309     ...
2310     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2311      // -> (B+A).(1+2*i)
2312     ...
2313 @end example
2314
2315 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2316 get an error message from this but you will probably not be able to do
2317 anything useful with it.
2318
2319 @cindex @code{get_value()}
2320 @cindex @code{get_dimension()}
2321 The methods
2322
2323 @example
2324 ex idx::get_value();
2325 ex idx::get_dimension();
2326 @end example
2327
2328 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2329 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2330 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2331 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2332
2333 There are also the methods
2334
2335 @example
2336 bool idx::is_numeric();
2337 bool idx::is_symbolic();
2338 bool idx::is_dim_numeric();
2339 bool idx::is_dim_symbolic();
2340 @end example
2341
2342 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2343 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2344 about expressions}) returns information about the index value.
2345
2346 @cindex @code{varidx} (class)
2347 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2348
2349 @example
2350     ...
2351     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2352     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2353     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2354
2355     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2356      // -> A~mu~nu
2357     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2358      // -> A.mu~nu
2359     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2360      // -> A.mu~nu
2361     ...
2362 @end example
2363
2364 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2365 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2366 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2367 constructor. The two methods
2368
2369 @example
2370 bool varidx::is_covariant();
2371 bool varidx::is_contravariant();
2372 @end example
2373
2374 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2375 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2376 method
2377
2378 @example
2379 ex varidx::toggle_variance();
2380 @end example
2381
2382 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2383 variance. By using it you only have to define the index once.
2384
2385 @cindex @code{spinidx} (class)
2386 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2387 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2388
2389 @example
2390     ...
2391     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2392     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2393                                             // contravariant, undotted
2394     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2395     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2396     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2397
2398     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2399      // -> K~C~D
2400     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2401      // -> K.C~*D
2402     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2403      // -> K.*D~D
2404     ...
2405 @end example
2406
2407 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2408 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2409 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2410 methods
2411
2412 @example
2413 bool spinidx::is_dotted();
2414 bool spinidx::is_undotted();
2415 @end example
2416
2417 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2418 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2419 Finally, the two methods
2420
2421 @example
2422 ex spinidx::toggle_dot();
2423 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2424 @end example
2425
2426 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2427 and the same or opposite variance.
2428
2429 @subsection Substituting indices
2430
2431 @cindex @code{subs()}
2432 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2433 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2434 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2435 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2436
2437 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2438 by another index or expression:
2439
2440 @example
2441     ...
2442     ex e = indexed(A, mu_co);
2443     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2444      // -> A.mu becomes A~nu
2445     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2446      // -> A.mu becomes A~0
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.0
2449     ...
2450 @end example
2451
2452 The third example shows that trying to replace an index with something that
2453 is not an index will substitute the index value instead.
2454
2455 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2456 another expression:
2457
2458 @example
2459     ...
2460     ex e = indexed(A, mu_co);
2461     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2462      // -> A.mu becomes A.nu
2463     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2464      // -> A.mu becomes A.0
2465     ...
2466 @end example
2467
2468 As you see, with the second method only the value of the index will get
2469 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2470 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2471 whole index by another one with the new dimension.
2472
2473 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2474 expected:
2475
2476 @example
2477     ...
2478     ex e = indexed(A, mu_co);
2479     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2480      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2481     ...
2482 @end example
2483
2484 @subsection Symmetries
2485 @cindex @code{symmetry} (class)
2486 @cindex @code{sy_none()}
2487 @cindex @code{sy_symm()}
2488 @cindex @code{sy_anti()}
2489 @cindex @code{sy_cycl()}
2490
2491 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2492 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2493 that is constructed with the helper functions
2494
2495 @example
2496 symmetry sy_none(...);
2497 symmetry sy_symm(...);
2498 symmetry sy_anti(...);
2499 symmetry sy_cycl(...);
2500 @end example
2501
2502 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2503 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2504 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2505 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2506 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2507 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2508 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2509 all indices.
2510
2511 Here are some examples of symmetry definitions:
2512
2513 @example
2514     ...
2515     // No symmetry:
2516     e = indexed(A, i, j);
2517     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2518     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2519
2520     // Symmetric in all three indices:
2521     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2522     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2523     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2524                                                // different canonical order
2525
2526     // Symmetric in the first two indices only:
2527     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2531     // be contiguous):
2532     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2533     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2534
2535     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2536     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2537     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2538     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2539
2540     // Cyclic symmetry in all three indices:
2541     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2542     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2543
2544     // The following examples are invalid constructions that will throw
2545     // an exception at run time.
2546
2547     // An index may not appear multiple times:
2548     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2549     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2550
2551     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2552     // same number of indices:
2553     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2554
2555     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2556     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2557     ...
2558 @end example
2559
2560 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2561 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2562 full symmetry in the first six indices you would write
2563 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2564
2565 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2566 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2567
2568 @example
2569     ...
2570     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2571           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2572      // -> 2*A.j.i
2573     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2574           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2575      // -> 0
2576     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2577           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2578      // -> 0
2579     ...
2580 @end example
2581
2582 @cindex @code{get_free_indices()}
2583 @cindex dummy index
2584 @subsection Dummy indices
2585
2586 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2587 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2588 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2589 dummy nor free indices.
2590
2591 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2592 class and their value must be the same single symbol (an index like
2593 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2594 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2595 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2596
2597 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2598 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2599 of a sum are consistent:
2600
2601 @example
2602 @{
2603     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2604
2605     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2606     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2607
2608     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (.i,.k)
2611      // 'j' and 'l' are dummy indices
2612
2613     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2614     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2615
2616     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2617       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2618     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2619      // -> (~mu,~rho)
2620      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2621
2622     e = indexed(A, mu, mu);
2623     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2624      // -> (~mu)
2625      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2626      // variance
2627
2628     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2629     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2630      // this will throw an exception:
2631      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2632 @}
2633 @end example
2634
2635 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2636 A dummy index summation like 
2637 @tex
2638 $ a_i b^i$
2639 @end tex
2640 @ifnottex
2641 a.i b~i
2642 @end ifnottex
2643 can be expanded for indices with numeric
2644 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2645 @tex
2646 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2647 @end tex
2648 @ifnottex
2649 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2650 @end ifnottex
2651 This is performed by the function
2652
2653 @example
2654     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2655 @end example
2656
2657 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2658 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2659 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2660 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2661 @tex
2662 $ a_i b^i$
2663 @end tex
2664 @ifnottex
2665 a.i b~i
2666 @end ifnottex
2667 will be expanded to
2668 @tex
2669 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2670 @end tex
2671 @ifnottex
2672 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2673 @end ifnottex
2674
2675
2676 @cindex @code{simplify_indexed()}
2677 @subsection Simplifying indexed expressions
2678
2679 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2680 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2681 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2682 there is the method
2683
2684 @example
2685 ex ex::simplify_indexed();
2686 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2687 @end example
2688
2689 that performs some more expensive operations:
2690
2691 @itemize
2692 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2693   @code{get_free_indices()} does
2694 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2695   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2696 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2697   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2698   next section)
2699 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2700   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2701 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2702   of two tensors with a user-defined value
2703 @end itemize
2704
2705 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2706 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2707 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2708
2709 @example
2710 @{
2711     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2712     idx i(i_sym, 3);
2713
2714     scalar_products sp;
2715     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2716     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2717     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2718
2719     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2720     cout << e << endl;
2721      // -> (B+A).i*(A+C).i
2722
2723     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2724          << endl;
2725      // -> 4+C.i*B.i
2726 @}
2727 @end example
2728
2729 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2730 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2731 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2732 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2733 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2734 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2735 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2736 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2737
2738 @cindex @code{expand()}
2739 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2740 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2741 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2742
2743 @cindex @code{tensor} (class)
2744 @subsection Predefined tensors
2745
2746 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2747 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2748 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2749 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2750 indices are specified).
2751
2752 @cindex @code{delta_tensor()}
2753 @subsubsection Delta tensor
2754
2755 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2756 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2757 @code{delta_tensor()}:
2758
2759 @example
2760 @{
2761     symbol A("A"), B("B");
2762
2763     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2764         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2765
2766     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2767          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2768     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2769      // -> B.i.j*A.i.j
2770
2771     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2772      // -> 3
2773 @}
2774 @end example
2775
2776 @cindex @code{metric_tensor()}
2777 @subsubsection General metric tensor
2778
2779 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2780 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2781 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2782 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2783
2784 @example
2785 @{
2786     symbol A("A");
2787
2788     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2789
2790     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2791     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2792      // -> A~mu~rho
2793
2794     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2795     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2796      // -> g~mu~rho
2797
2798     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2799       * metric_tensor(nu, rho);
2800     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2801      // -> delta.mu~rho
2802
2803     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2804       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2805         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> 4+A.rho~rho
2808 @}
2809 @end example
2810
2811 @cindex @code{lorentz_g()}
2812 @subsubsection Minkowski metric tensor
2813
2814 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2815 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2816 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2817 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2818 @samp{eta}):
2819
2820 @example
2821 @{
2822     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2823
2824     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2825       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2826     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2827      // -> 1
2828
2829     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2830       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2831     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2832      // -> -1
2833 @}
2834 @end example
2835
2836 @cindex @code{spinor_metric()}
2837 @subsubsection Spinor metric tensor
2838
2839 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2840 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2841 It is output as @samp{eps}:
2842
2843 @example
2844 @{
2845     symbol psi("psi");
2846
2847     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2848     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2849
2850     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> psi~A
2853
2854     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2855     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2856      // -> -psi~B
2857
2858     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2859     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2860      // -> -psi.A
2861
2862     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2863     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2864      // -> psi.B
2865
2866     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2867     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2868      // -> 2
2869
2870     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2871     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2872      // -> -delta.A~C
2873 @}
2874 @end example
2875
2876 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2877
2878 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2879 @cindex @code{lorentz_eps()}
2880 @subsubsection Epsilon tensor
2881
2882 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2883 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2884 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2885 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2886 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2887 @samp{eps}.
2888
2889 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2890 dimensions:
2891
2892 @example
2893 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2894 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2895 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2896                bool pos_sig = false);
2897 @end example
2898
2899 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2900 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2901 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2902 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2903 tensor):
2904
2905 @example
2906 @{
2907     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2908            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2909     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2910         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2911     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2912      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2913
2914     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2915     symbol A("A"), B("B");
2916     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2917     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2918      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2919     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2920     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2921      // -> 0
2922 @}
2923 @end example
2924
2925 @subsection Linear algebra
2926
2927 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2928 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2929 and scalar products):
2930
2931 @example
2932 @{
2933     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2934     symbol x("x"), y("y");
2935
2936     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2937     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2938     A = 1, 2,
2939         3, 4;
2940     X = x, y;
2941
2942     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2943      // -> 5
2944
2945     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2946     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2947      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2948
2949     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2950     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2951      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2952 @}
2953 @end example
2954
2955 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2956 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2957 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2958
2959 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2960 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2961 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2962 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2963
2964 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2965 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2966 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2967 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2968 of the metric tensor.
2969
2970
2971 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2972 @c    node-name, next, previous, up
2973 @section Non-commutative objects
2974
2975 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2976 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2977 physics:
2978
2979 @itemize
2980 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2981 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2982 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2983 @end itemize
2984
2985 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2986 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2987 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2988 @ref{Matrices}.
2989
2990 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2991 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2992 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2993 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2994 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2995 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2996 by their class. Consider this example:
2997
2998 @example
2999     ...
3000     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3001     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3002     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3003     cout << e << endl;
3004      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3005     ...
3006 @end example
3007
3008 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3009 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3010 together while preserving the order of factors within each class (because
3011 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3012 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3013 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3014 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3015
3016 @cindex @code{ncmul} (class)
3017 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3018 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3019 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3020 though.
3021
3022 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3023 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3024 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3025 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3026 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3027 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3028 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3029 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3030
3031 @cindex @code{return_type()}
3032 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3033 Information about the commutativity of an object or expression can be
3034 obtained with the two member functions
3035
3036 @example
3037 unsigned ex::return_type() const;
3038 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3039 @end example
3040
3041 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3042 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3043 expressions in GiNaC:
3044
3045 @itemize
3046 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3047   classes are of this kind.
3048 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3049   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3050   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3051   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3052   class.
3053 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3054   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3055   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3056   @code{noncommutative_composite} expressions.
3057 @end itemize
3058
3059 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3060 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3061 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3062 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3063
3064 Here are a couple of examples:
3065
3066 @cartouche
3067 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3068 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3069 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3070 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3071 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3072 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3073 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3074 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3075 @end multitable
3076 @end cartouche
3077
3078 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3079 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3080 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3081 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3082 for color objects.
3083
3084 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3085 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3086 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3087 non-commutative expressions).
3088
3089
3090 @cindex @code{clifford} (class)
3091 @subsection Clifford algebra
3092
3093
3094 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3095 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3096 mathematical). 
3097
3098 @cindex @code{dirac_gamma()}
3099 @subsubsection Dirac gamma matrices
3100 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3101 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3102 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3103 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3104 constructed by the function
3105
3106 @example
3107 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3108 @end example
3109
3110 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3111 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3112 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3113 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3114 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3115 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3116
3117 @cindex @code{dirac_ONE()}
3118 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3119
3120 @example
3121 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3122 @end example
3123
3124 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3125 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3126 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3127 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3128 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3129
3130 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3131 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3132 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3133 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3134
3135 @example
3136 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3137 @end example
3138
3139 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3140 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3141 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3142 objects, constructed by
3143
3144 @example
3145 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3146 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3147 @end example
3148
3149 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3150 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3151
3152 @cindex @code{dirac_slash()}
3153 Finally, the function
3154
3155 @example
3156 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3157 @end example
3158
3159 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3160 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3161 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3162 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3163
3164 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3165 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3166 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3167
3168 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3169 for example
3170
3171 @example
3172 @{
3173     ...
3174     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3175     varidx mu(symbol("mu"), D);
3176     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3177          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3178     cout << e << endl;
3179      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3180     e = e.simplify_indexed();
3181     cout << e << endl;
3182      // -> -D*a\+2*a\
3183     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3184      // -> -2*a\
3185     ...
3186 @}
3187 @end example
3188
3189 @cindex @code{dirac_trace()}
3190 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3191 you use one of the functions
3192
3193 @example
3194 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3195                const ex & trONE = 4);
3196 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3197 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3198 @end example
3199
3200 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3201 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3202 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3203 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3204 element, which defaults to 4.
3205
3206 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3207 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3208 functional is not cyclic in
3209 @tex $D \ne 4$
3210 @end tex
3211 dimensions when acting on
3212 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3213 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3214 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3215
3216 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3217 @tex $D \ne 4$
3218 @end tex
3219 dimensions:
3220
3221 @example
3222 @{
3223     // 4 dimensions
3224     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3225     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3226            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3227     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3228      // -> -8*eta~rho~nu
3229 @}
3230 ...
3231 @{
3232     // D dimensions
3233     symbol D("D");
3234     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3235     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3236            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3237     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3238      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3239 @}
3240 @end example
3241
3242 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3243 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3244 QED:
3245
3246 @example
3247 @{
3248     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3249     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3250
3251     scalar_products sp;
3252     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3253     sp.add(l, q, ldotq);
3254
3255     ex e = dirac_gamma(mu) *
3256            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3257            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3258            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3259     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3260     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3261     cout << e << endl;
3262      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3263 @}
3264 @end example
3265
3266 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3267 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3268 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3269
3270 @example
3271 @{
3272     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3273     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3274     cout << e << endl;
3275      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3276
3277     e = canonicalize_clifford(e);
3278     cout << e << endl;
3279      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3280 @}
3281 @end example
3282
3283 @cindex @code{clifford_unit()}
3284 @subsubsection A generic Clifford algebra
3285
3286 A generic Clifford algebra, i.e. a
3287 @tex
3288 $2^n$
3289 @end tex
3290 dimensional algebra with
3291 generators 
3292 @tex $e_k$
3293 @end tex 
3294 satisfying the identities 
3295 @tex
3296 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3297 @end tex
3298 @ifnottex
3299 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3300 @end ifnottex
3301 for some bilinear form (@code{metric})
3302 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3303 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3304 function 
3305
3306 @example
3307     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3308                                 bool anticommuting = false);    
3309 @end example
3310
3311 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3312 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3313 @code{idx} as well.
3314 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3315 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3316 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3317 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3318 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3319 @code{op(0)} will be used.
3320 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3321 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3322 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3323 assumption (i.e.
3324 @tex
3325 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3326 @end tex
3327 @ifnottex
3328 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3329 @end ifnottex
3330 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3331 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3332 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3333 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3334 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3335
3336 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3337 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3338 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3339 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3340 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3341 Clifford number.
3342 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3343 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3344 @code{anticommuting} property of a unit.
3345
3346 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3347 the Clifford algebra units with a call like that
3348
3349 @example
3350     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3351 @end example
3352
3353 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3354 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3355 automatically. 
3356
3357 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3358 ways. For example 
3359
3360 @example
3361 @{
3362     ... 
3363     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3364     realsymbol s("s");
3365     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3366     ex e = clifford_unit(nu, M);
3367     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3368     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3369     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3370     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3371     ...
3372 @}
3373 @end example
3374
3375 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3376 @tex
3377 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3378 @end tex
3379 @ifnottex
3380 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3381 @code{pow(e3, 2) = s}.
3382 @end ifnottex
3383
3384 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3385 A similar effect can be achieved from the function
3386
3387 @example
3388     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3389                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3390     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3391 @end example
3392
3393 which converts a list or vector 
3394 @tex
3395 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3396 @end tex
3397 @ifnottex
3398 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3399 @end ifnottex
3400 into the
3401 Clifford number 
3402 @tex
3403 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3404 @end tex
3405 @ifnottex
3406 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3407 @end ifnottex
3408 with @samp{e.k}
3409 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3410 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3411 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3412 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3413
3414 @example
3415 @{
3416     ...
3417     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3418     realsymbol s("s");
3419     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3420     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3421     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3422     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3423     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3424   ...
3425 @}
3426 @end example
3427
3428 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3429 There is the inverse function 
3430
3431 @example
3432     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3433 @end example
3434
3435 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3436 @tex
3437 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3438 @end tex
3439 @ifnottex
3440 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3441 @end ifnottex
3442 such that 
3443 @tex
3444 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3445 @end tex
3446 @ifnottex
3447 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3448 @end ifnottex
3449 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3450 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3451 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3452 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3453 @tex
3454 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3455 @end tex
3456 @ifnottex
3457 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3458 @end ifnottex
3459 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3460 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3461 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3462
3463 @cindex @code{clifford_prime()}
3464 @cindex @code{clifford_star()}
3465 @cindex @code{clifford_bar()}
3466 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3467
3468 @example
3469     ex clifford_prime(const ex & e)
3470     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3471     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3472 @end example
3473
3474 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3475 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3476 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3477 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3478 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3479 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3480 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3481 in a product. These functions correspond to the notations
3482 @math{e'},
3483 @tex
3484 $e^*$
3485 @end tex
3486 @ifnottex
3487 e*
3488 @end ifnottex
3489 and
3490 @tex
3491 $\overline{e}$
3492 @end tex
3493 @ifnottex
3494 @code{\bar@{e@}}
3495 @end ifnottex
3496 used in Clifford algebra textbooks.
3497
3498 @cindex @code{clifford_norm()}
3499 The function
3500
3501 @example
3502     ex clifford_norm(const ex & e);
3503 @end example
3504
3505 @cindex @code{clifford_inverse()}
3506 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3507 @tex
3508 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3509 @end tex
3510 @ifnottex
3511 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3512 @end ifnottex
3513  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3514
3515 @example
3516     ex clifford_inverse(const ex & e);
3517 @end example
3518
3519 which calculates it as 
3520 @tex
3521 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3522 @end tex
3523 @ifnottex
3524 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3525 @end ifnottex
3526  If
3527 @tex
3528 $||e|| = 0$
3529 @end tex
3530 @ifnottex
3531 @math{||e||=0}
3532 @end ifnottex
3533 then an exception is raised.
3534
3535 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3536 If a Clifford number happens to be a factor of
3537 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3538 expression by the function
3539
3540 @example
3541     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3542 @end example
3543
3544 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3545 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3546 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3547
3548 The next provided function is
3549
3550 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3551 @example
3552     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3553                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3554                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3555     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3556                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3557 @end example 
3558
3559 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3560 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3561 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3562 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3563 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3564 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are
3565 ignored even if supplied.  Depending from the type of @code{v} the
3566 returned value of this function is either a vector or a list holding vector's
3567 components.
3568
3569 @cindex @code{clifford_max_label()}
3570 Finally the function
3571
3572 @example
3573 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3574 @end example
3575
3576 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3577 such objects are found it returns the maximal
3578 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3579 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3580 be ignored during the search.
3581  
3582 LaTeX output for Clifford units looks like
3583 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3584 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3585 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3586 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3587 @example
3588     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3589 @end example
3590 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3591 @example
3592     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3593 @end example
3594 prints units with @code{representation_label=0} as 
3595 @tex
3596 $e$,
3597 @end tex
3598 @ifnottex
3599 @code{e},
3600 @end ifnottex
3601 with @code{representation_label=1} as 
3602 @tex
3603 $\tilde{e}$
3604 @end tex
3605 @ifnottex
3606 @code{\tilde@{e@}}
3607 @end ifnottex
3608  and with @code{representation_label=2} as 
3609 @tex
3610 $\breve{e}$.
3611 @end tex
3612 @ifnottex
3613 @code{\breve@{e@}}.
3614 @end ifnottex
3615
3616 @cindex @code{color} (class)
3617 @subsection Color algebra
3618
3619 @cindex @code{color_T()}
3620 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3621 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3622 elements @math{T_a} are constructed by the function
3623
3624 @example
3625 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3626 @end example
3627
3628 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3629 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3630 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3631 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3632 not @code{varidx}.
3633
3634 @cindex @code{color_ONE()}
3635 The unity element of a color algebra is constructed by
3636
3637 @example
3638 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3639 @end example
3640
3641 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3642 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3643 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3644 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3645 GiNaC may produce incorrect results.
3646
3647 @cindex @code{color_d()}
3648 @cindex @code{color_f()}
3649 The functions
3650
3651 @example
3652 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3653 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3654 @end example
3655
3656 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3657 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3658 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3659
3660 These functions evaluate to their numerical values,
3661 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3662 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3663 goes along better with the notations used in physical literature.
3664
3665 @cindex @code{color_h()}
3666 There's an additional function
3667
3668 @example
3669 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3670 @end example
3671
3672 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3673
3674 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3675 expressions containing color objects:
3676
3677 @example
3678 @{
3679     ...
3680     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3681         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3682
3683     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3684     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3685      // -> 0
3686
3687     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3688     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3689      // -> 5/3*delta.k.l
3690
3691     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3692     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3693      // -> 3*delta.k.l
3694
3695     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3696     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3697      // -> -32/3
3698
3699     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3700     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3701      // -> -2/3*T.a
3702
3703     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3704     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3705      // -> -8/9*ONE
3706
3707     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3708     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3709      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3710     ...
3711 @end example
3712
3713 @cindex @code{color_trace()}
3714 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3715 of the functions
3716
3717 @example
3718 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3719 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3720 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3721 @end example
3722
3723 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3724 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3725 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3726 example:
3727
3728 @example
3729     ...
3730     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3731     cout << e << endl;
3732      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3733 @}
3734 @end example
3735
3736
3737 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3738 @c    node-name, next, previous, up
3739 @section Hash Maps
3740 @cindex hash maps
3741 @cindex @code{exhashmap} (class)
3742
3743 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3744 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3745 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3746 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3747
3748 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3749 following differences:
3750
3751 @itemize @bullet
3752 @item
3753 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3754 @item
3755 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3756 @item 
3757 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3758 @item
3759 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3760 @code{ex_is_less}
3761 @item
3762 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3763 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3764 larger than the specified value)
3765 @item
3766 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3767 table
3768 @item 
3769 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3770 @end itemize
3771
3772
3773 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3774 @c    node-name, next, previous, up
3775 @chapter Methods and functions
3776 @cindex polynomial
3777
3778 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3779 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3780 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3781 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3782 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3783 example:
3784
3785 @example
3786     ...
3787     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3788     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3789     ...
3790 @end example
3791
3792 @cindex @code{subs()}
3793 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3794 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3795 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3796 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3797 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3798 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3799 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3800 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3801 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3802 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3803 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3804 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3805 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3806 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3807 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3808 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3809 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3810 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3811 avoided.
3812
3813 @menu
3814 * Information about expressions::
3815 * Numerical evaluation::
3816 * Substituting expressions::
3817 * Pattern matching and advanced substitutions::
3818 * Applying a function on subexpressions::
3819 * Visitors and tree traversal::
3820 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3821 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3822 * Symbolic differentiation::
3823 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3824 * Symmetrization::
3825 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3826 * Multiple polylogarithms::
3827 * Complex expressions::
3828 * Solving linear systems of equations::
3829 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3830 @end menu
3831
3832
3833 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3834 @c    node-name, next, previous, up
3835 @section Getting information about expressions
3836
3837 @subsection Checking expression types
3838 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3839 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3840 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3841 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3842 @cindex @code{info()}
3843 @cindex @code{return_type()}
3844 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3845
3846 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3847 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3848 GiNaC provides a couple of functions for this:
3849
3850 @example
3851 bool is_a<T>(const ex & e);
3852 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3853 bool ex::info(unsigned flag);
3854 unsigned ex::return_type() const;
3855 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3856 @end example
3857
3858 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3859 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3860 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3861 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3862
3863 @example
3864 @{
3865     @dots{}
3866     if (is_a<numeric>(e))
3867         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3868     @dots{}
3869 @}
3870 @end example
3871
3872 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3873 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3874 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3875 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3876
3877 @example
3878 @{
3879     symbol x("x");
3880     ex e1 = 42;
3881     ex e2 = 4*x - 3;
3882     is_a<numeric>(e1);  // true
3883     is_a<numeric>(e2);  // false
3884     is_a<add>(e1);      // false
3885     is_a<add>(e2);      // true
3886     is_a<mul>(e1);      // false
3887     is_a<mul>(e2);      // false
3888 @}
3889 @end example
3890
3891 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3892 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3893 class @samp{T}, not including parent classes.
3894
3895 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3896 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3897 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3898 table:
3899
3900 @cartouche
3901 @multitable @columnfractions .30 .70
3902 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3903 @item @code{numeric}
3904 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3905 @item @code{real}
3906 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3907 @item @code{rational}
3908 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3909 @item @code{integer}
3910 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3911 @item @code{crational}
3912 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3913 @item @code{cinteger}
3914 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3915 @item @code{positive}
3916 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3917 @item @code{negative}
3918 @tab @dots{}not complex and less than 0
3919 @item @code{nonnegative}
3920 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3921 @item @code{posint}
3922 @tab @dots{}an integer greater than 0
3923 @item @code{negint}
3924 @tab @dots{}an integer less than 0
3925 @item @code{nonnegint}
3926 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3927 @item @code{even}
3928 @tab @dots{}an even integer
3929 @item @code{odd}
3930 @tab @dots{}an odd integer
3931 @item @code{prime}
3932 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3933 @item @code{relation}
3934 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3935 @item @code{relation_equal}
3936 @tab @dots{}a @code{==} relation
3937 @item @code{relation_not_equal}
3938 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3939 @item @code{relation_less}
3940 @tab @dots{}a @code{<} relation
3941 @item @code{relation_less_or_equal}
3942 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3943 @item @code{relation_greater}
3944 @tab @dots{}a @code{>} relation
3945 @item @code{relation_greater_or_equal}
3946 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3947 @item @code{symbol}
3948 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3949 @item @code{list}
3950 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3951 @item @code{polynomial}
3952 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3953 @item @code{integer_polynomial}
3954 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3955 @item @code{cinteger_polynomial}
3956 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3957 @item @code{rational_polynomial}
3958 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3959 @item @code{crational_polynomial}
3960 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3961 @item @code{rational_function}
3962 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3963 @item @code{algebraic}
3964 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3965 @end multitable
3966 @end cartouche
3967
3968 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3969 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3970 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3971 for an explanation of these.
3972
3973
3974 @subsection Accessing subexpressions
3975 @cindex container
3976
3977 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3978 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3979 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3980 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3981
3982 @cindex @code{nops()}
3983 @cindex @code{op()}
3984 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3985 use the two methods
3986
3987 @example
3988 size_t ex::nops();
3989 ex ex::op(size_t i);
3990 @end example
3991
3992 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3993 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3994 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3995 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3996 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3997 @math{i>0} are the indices.
3998
3999 @cindex iterators
4000 @cindex @code{const_iterator}
4001 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4002 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4003
4004 @example
4005 const_iterator ex::begin();
4006 const_iterator ex::end();
4007 @end example
4008
4009 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4010 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4011 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4012 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4013
4014 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4015 given expression in three different ways:
4016
4017 @example
4018 @{
4019     ex e = ...
4020
4021     // with nops()/op()
4022     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4023         cout << e.op(i) << endl;
4024
4025     // with iterators
4026     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4027         cout << *i << endl;
4028
4029     // with iterators and STL copy()
4030     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4031 @}
4032 @end example
4033
4034 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4035 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4036 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4037 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4038 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4039 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4040 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4041 methods
4042
4043 @example
4044 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4045 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4046 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4047 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4048 @end example
4049
4050 The following example illustrates the differences between
4051 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4052 @code{const_postorder_iterator}:
4053
4054 @example
4055 @{
4056     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4057     ex e = lst(lst(A, B), C);
4058
4059     std::copy(e.begin(), e.end(),
4060               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4061     // @{A,B@}
4062     // C
4063
4064     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4065               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4066     // @{@{A,B@},C@}
4067     // @{A,B@}
4068     // A
4069     // B
4070     // C
4071
4072     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4073               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4074     // A
4075     // B
4076     // @{A,B@}
4077     // C
4078     // @{@{A,B@},C@}
4079 @}
4080 @end example
4081
4082 @cindex @code{relational} (class)
4083 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4084 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4085 methods
4086
4087 @example
4088 ex ex::lhs();
4089 ex ex::rhs();
4090 @end example
4091
4092
4093 @subsection Comparing expressions
4094 @cindex @code{is_equal()}
4095 @cindex @code{is_zero()}
4096
4097 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4098 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4099 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4100 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4101 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4102 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4103 @code{false}.
4104
4105 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4106 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4107 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4108
4109 There are also two methods
4110
4111 @example
4112 bool ex::is_equal(const ex & other);
4113 bool ex::is_zero();
4114 @end example
4115
4116 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4117 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4118 @pxref{Matrices}. 
4119
4120
4121 @subsection Ordering expressions
4122 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4123 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4124 @cindex @code{compare()}
4125
4126 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4127 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4128 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4129 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4130
4131 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4132 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4133 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4134 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4135 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4136 yield @code{true}.
4137
4138 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4139 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4140 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4141 predicates to the STL:
4142
4143 @example
4144 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4145 public:
4146     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4147 @};
4148
4149 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4150 public:
4151     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4152 @};
4153 @end example
4154
4155 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4156 have to use
4157
4158 @example
4159 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4160 @end example
4161
4162 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4163 bugs because the map operates improperly.
4164
4165 Other examples for the use of the functors:
4166
4167 @example
4168 std::vector<ex> v;
4169 // fill vector
4170 ...
4171
4172 // sort vector
4173 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4174
4175 // count the number of expressions equal to '1'
4176 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4177                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4178 @end example
4179
4180 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4181
4182 @example
4183 int ex::compare(const ex & other) const;
4184 @end example
4185
4186 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4187 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4188 after @code{other}.
4189
4190
4191 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4192 @c    node-name, next, previous, up
4193 @section Numerical evaluation
4194 @cindex @code{evalf()}
4195
4196 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4197 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4198
4199 @example
4200 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4201 @end example
4202
4203 @cindex @code{Digits}
4204 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4205 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4206 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4207
4208 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4209 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4210
4211 @example
4212 @{
4213     // Approximate sin(x/Pi)
4214     symbol x("x");
4215     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4216
4217     // Evaluate numerically at x=0.1
4218     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4219
4220     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4221     if (is_a<numeric>(f)) @{
4222         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4223         cout << d << endl;
4224          // -> 0.0318256
4225     @} else
4226         // error
4227 @}
4228 @end example
4229
4230
4231 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4232 @c    node-name, next, previous, up
4233 @section Substituting expressions
4234 @cindex @code{subs()}
4235
4236 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4237 expressions via the @code{.subs()} method:
4238
4239 @example
4240 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4241 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4242 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4243 @end example
4244
4245 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4246 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4247
4248 @example
4249 @{
4250     symbol x("x"), y("y");
4251
4252     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4253     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4254      // -> 73
4255
4256     ex e2 = x*y + x;
4257     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4258      // -> -10
4259 @}
4260 @end example
4261
4262 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4263 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4264
4265 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4266 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4267 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4268 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4269 be substituted is large or unknown.
4270
4271 Using this form, the second example from above would look like this:
4272
4273 @example
4274 @{
4275     symbol x("x"), y("y");
4276     ex e2 = x*y + x;
4277
4278     exmap m;
4279     m[x] = -2;
4280     m[y] = 4;
4281     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4282 @}
4283 @end example
4284
4285 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4286 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4287 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4288
4289 @example
4290 @{
4291     symbol x("x"), y("y");
4292     ex e2 = x*y + x;
4293
4294     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4295 @}
4296 @end example
4297
4298 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4299 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4300 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4301 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4302 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4303 algebraic substitutions in products and powers.
4304 @ref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4305 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4306 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4307 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4308 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4309 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4310
4311 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4312 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4313 following example:
4314
4315 @example
4316 @{
4317     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4318
4319     ex e1 = pow(x+y, 2);
4320     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4321      // -> 16
4322
4323     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4324     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4325      // -> cos(x)^2*sin(y)
4326
4327     ex e3 = x+y+z;
4328     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4329      // -> x+y+z
4330      // (and not 4+z as one might expect)
4331 @}
4332 @end example
4333
4334 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4335 next section.
4336
4337
4338 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4339 @c    node-name, next, previous, up
4340 @section Pattern matching and advanced substitutions
4341 @cindex @code{wildcard} (class)
4342 @cindex Pattern matching
4343
4344 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4345 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4346 substituting expressions in a more general way.
4347
4348 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4349 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4350 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4351 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4352 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4353 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4354 with the call
4355
4356 @example
4357 ex wild(unsigned label = 0);
4358 @end example
4359
4360 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4361 name.
4362
4363 Some examples for patterns:
4364
4365 @multitable @columnfractions .5 .5
4366 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4367 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4368 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4369 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4370 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4371 @end multitable
4372
4373 Notes:
4374
4375 @itemize
4376 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4377   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4378 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4379   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4380   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4381 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4382   possible to use them as placeholders for other properties like index
4383   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4384   etc.
4385 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4386   as part of noncommutative products.
4387 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4388   are also valid patterns.
4389 @end itemize
4390
4391 @subsection Matching expressions
4392 @cindex @code{match()}
4393 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4394 matches a given pattern. This is done by the function
4395
4396 @example
4397 bool ex::match(const ex & pattern);
4398 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4399 @end example
4400
4401 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4402 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4403 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4404 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4405 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4406 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4407 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4408 expressions by passing in the result of a previous match.
4409
4410 The matching algorithm works as follows:
4411
4412 @itemize
4413 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4414   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4415   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4416   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4417 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4418   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4419   etc.).
4420 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4421   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4422 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4423   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4424   of the pattern.
4425 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4426   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4427 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4428   match the corresponding subexpression of the pattern.
4429 @end itemize
4430
4431 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4432 account for their commutativity and associativity:
4433
4434 @itemize
4435 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4436   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4437   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4438   way.
4439 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4440   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4441   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4442   further matches.
4443 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4444   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4445   which case this wildcard matches the remaining terms.
4446 @end itemize
4447
4448 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4449 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4450 ambiguous results.
4451
4452 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4453 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4454 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4455
4456 @example
4457 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4458 @{@}
4459 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4460 FAIL
4461 > match((x+y)^a,$1^$2);
4462 @{$1==x+y,$2==a@}
4463 > match((x+y)^a,$1^$1);
4464 FAIL
4465 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4466 @{$1==x+y@}
4467 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4468 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4469 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4470 @{$1==a@}
4471 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4472 @{$1==c,$2==b@}
4473   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4474 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4475   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4476    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4477    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4478    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4479    fail.)
4480 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4481   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4482    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4483 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4484 FAIL
4485 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4486 @{$0==a+e+b+f+d@}
4487 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4488 @{$0==a+b+f+d@}
4489 > match(a+b,a+b+$0);
4490 @{$0==0@}
4491 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4492 FAIL
4493   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4494    even though a==a^1.)
4495 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4496 @{$0==x@}
4497 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4498 @{$0==x^2@}
4499 @end example
4500
4501 @subsection Matching parts of expressions
4502 @cindex @code{has()}
4503 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4504 member function
4505
4506 @example
4507 bool ex::has(const ex & pattern);
4508 @end example
4509
4510 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4511 by any of its subexpressions.
4512
4513 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4514 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4515
4516 @example
4517 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4518 1
4519 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4520 0
4521   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4522    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4523 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4524 1
4525   (But this is possible.)
4526 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4527 0
4528   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4529    which "x+y" is not a subexpression.)
4530 > has(x+1,x^$1);
4531 0
4532   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4533    "x^something".)
4534 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4535 1
4536 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4537 0
4538   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4539    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4540    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4541 @end example
4542
4543 @cindex @code{find()}
4544 The method
4545
4546 @example
4547 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4548 @end example
4549
4550 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4551 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4552 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4553 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4554 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4555
4556 @example
4557 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4558 @{x@}
4559 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4560 @{@}
4561 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4562 @{x^3,x^2@}
4563   (Note the absence of "x".)
4564 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4565 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4566 > find(%,sin($1));
4567 @{sin(y),sin(x)@}
4568 @end example
4569
4570 @subsection Substituting expressions
4571 @cindex @code{subs()}
4572 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4573 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4574 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4575 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4576 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4577
4578 Some examples:
4579
4580 @example
4581 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4582 b^3+a^3+(x+y)^3
4583 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4584 b^4+a^4+(x+y)^4
4585 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4586 (a+b+c)^2
4587 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4588 (x+c)^2
4589 > subs(a+2*b,a+b==x);
4590 a+2*b
4591 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4592 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4593 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4594 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4595 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4596 cos(1+cos(x))
4597 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4598 a+b
4599 @end example
4600
4601 The last example would be written in C++ in this way:
4602
4603 @example
4604 @{
4605     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4606     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4607     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4608     cout << e.expand() << endl;
4609      // -> a+b
4610 @}
4611 @end example
4612
4613 @subsection The option algebraic
4614 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4615 extra options. This section describes what happens if you give the former
4616 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4617 @code{subs:options::algebraic}. In that case the matching condition for
4618 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4619 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4620 If you use these options you will find that
4621 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4622 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4623 often as is possible without getting negative exponents. For example
4624 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4625 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4626 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4627 return @code{x^(-1)*c^2*z}. Note that this only works for multiplications
4628 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4629
4630
4631 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4632 @c    node-name, next, previous, up
4633 @section Applying a function on subexpressions
4634 @cindex tree traversal
4635 @cindex @code{map()}
4636
4637 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4638 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4639 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4640 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4641 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4642 to do this manually which usually results in code like this:
4643
4644 @example
4645 ex calc_trace(ex e)
4646 @{
4647     if (is_a<matrix>(e))
4648         return ex_to<matrix>(e).trace();
4649     else if (is_a<add>(e)) @{
4650         ex sum = 0;
4651         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4652             sum += calc_trace(e.op(i));
4653         return sum;
4654     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4655         ...
4656     @} else @{
4657         ...
4658     @}
4659 @}
4660 @end example
4661
4662 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4663 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4664 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4665 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4666 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4667
4668 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4669 operations:
4670
4671 @example
4672 ex ex::map(map_function & f) const;
4673 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4674 @end example
4675
4676 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4677 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4678 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4679 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4680 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4681 non-recursively.
4682
4683 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4684 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4685 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4686 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4687 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4688
4689 @example
4690 struct calc_trace : public map_function @{
4691     ex operator()(const ex &e)
4692     @{
4693         if (is_a<matrix>(e))
4694             return ex_to<matrix>(e).trace();
4695         else if (is_a<mul>(e)) @{
4696             ...
4697         @} else
4698             return e.map(*this);
4699     @}
4700 @};
4701 @end example
4702
4703 This function object could then be used like this:
4704
4705 @example
4706 @{
4707     ex M = ... // expression with matrices
4708     calc_trace do_trace;
4709     ex tr = do_trace(M);
4710 @}
4711 @end example
4712
4713 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4714 terms in a variable from an expanded polynomial:
4715
4716 @example
4717 struct map_rem_quad : public map_function @{
4718     ex var;
4719     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4720
4721     ex operator()(const ex & e)
4722     @{
4723         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4724             return e.map(*this);
4725         else if (is_a<power>(e) && 
4726                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4727             return 0;
4728         else
4729             return e;
4730     @}
4731 @};
4732
4733 ...
4734
4735 @{
4736     symbol x("x"), y("y");
4737
4738     ex e;
4739     for (int i=0; i<8; i++)
4740         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4741     cout << e << endl;
4742      // -> 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
4743
4744     map_rem_quad rem_quad(x);
4745     cout << rem_quad(e) << endl;
4746      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4747 @}
4748 @end example
4749
4750 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4751 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4752 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4753 acts as the placeholder for the operands:
4754
4755 @example
4756 > map(a*b,sin($0));
4757 sin(a)*sin(b)
4758 > map(a+2*b,sin($0));
4759 sin(a)+sin(2*b)
4760 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4761 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4762 @end example
4763
4764 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4765 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4766 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4767
4768 @example
4769 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4770 @{0,0,0@}
4771   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4772   to "map(@{a,b,c@},0)".
4773 @end example
4774
4775
4776 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4777 @c    node-name, next, previous, up
4778 @section Visitors and tree traversal
4779 @cindex tree traversal
4780 @cindex @code{visitor} (class)
4781 @cindex @code{accept()}
4782 @cindex @code{visit()}
4783 @cindex @code{traverse()}
4784 @cindex @code{traverse_preorder()}
4785 @cindex @code{traverse_postorder()}
4786
4787 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4788 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4789 indices with variance you always want the covariant version returned.
4790
4791 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4792 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4793 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4794 with variance, one for plain ones).
4795
4796 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4797 such as the following:
4798
4799 @example
4800 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4801 @{
4802     if (is_a<varidx>(e)) @{
4803         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4804         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4805     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4806         l.append(e);
4807     @} else @{
4808         size_t n = e.nops();
4809         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4810             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4811     @}
4812 @}
4813
4814 lst gather_indices(const ex & e)
4815 @{
4816     lst l;
4817     gather_indices_helper(e, l);
4818     l.sort();
4819     l.unique();
4820     return l;
4821 @}
4822 @end example
4823
4824 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4825 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4826 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4827
4828 @example
4829     if (is_a<idx>(e)) @{
4830       ...
4831     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4832       ...
4833 @end example
4834
4835 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4836 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4837 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4838 executed.
4839
4840 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4841 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4842 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4843 write a function that required a different implementation for nearly
4844 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4845
4846 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4847 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4848 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4849 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4850 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4851 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4852 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4853 presented this would be impractical.
4854
4855 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4856 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4857 variation, described in detail in
4858 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4859 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4860 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4861 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4862 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4863 object that @code{accept()} was being invoked on.
4864
4865 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4866 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4867 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4868 each class.
4869
4870 A call of
4871
4872 @example
4873 void ex::accept(visitor & v) const;
4874 @end example
4875
4876 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4877 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4878 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4879
4880 Here is an example of a visitor:
4881
4882 @example
4883 class my_visitor
4884  : public visitor,          // this is required
4885    public add::visitor,     // visit add objects
4886    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4887    public basic::visitor    // visit basic objects
4888 @{
4889     void visit(const add & x)
4890     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4891
4892     void visit(const numeric & x)
4893     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4894
4895     void visit(const basic & x)
4896     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4897 @};
4898 @end example
4899
4900 which can be used as follows:
4901
4902 @example
4903 ...
4904     symbol x("x");
4905     ex e1 = 42;
4906     ex e2 = 4*x-3;
4907     ex e3 = 8*x;
4908
4909     my_visitor v;
4910     e1.accept(v);
4911      // prints "called with a numeric object"
4912     e2.accept(v);
4913      // prints "called with an add object"
4914     e3.accept(v);
4915      // prints "called with a basic object"
4916 ...
4917 @end example
4918
4919 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4920 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4921
4922 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4923 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4924 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4925 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4926 hierarchies of visitors.
4927
4928 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4929
4930 @example
4931 class gather_indices_visitor
4932  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4933 @{
4934     lst l;
4935
4936     void visit(const idx & i)
4937     @{
4938         l.append(i);
4939     @}
4940
4941     void visit(const varidx & vi)
4942     @{
4943         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4944     @}
4945
4946 public:
4947     const lst & get_result() // utility function
4948     @{
4949         l.sort();
4950         l.unique();
4951         return l;
4952     @}
4953 @};
4954 @end example
4955
4956 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4957 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4958
4959 @example
4960 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4961 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4962 void ex::traverse(visitor & v) const;
4963 @end example
4964
4965 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4966 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4967 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4968 @code{traverse_preorder()}.
4969
4970 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4971 and @code{traverse()}:
4972
4973 @example
4974 lst gather_indices(const ex & e)
4975 @{
4976     gather_indices_visitor v;
4977     e.traverse(v);
4978     return v.get_result();
4979 @}
4980 @end example
4981
4982 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4983 traversal:
4984
4985 @example
4986 lst gather_indices(const ex & e)
4987 @{
4988     gather_indices_visitor v;
4989     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4990          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4991         i->accept(v);
4992     @}
4993     return v.get_result();
4994 @}
4995 @end example
4996
4997
4998 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
4999 @c    node-name, next, previous, up
5000 @section Polynomial arithmetic
5001
5002 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5003 @cindex @code{is_polynomial()}
5004
5005 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5006 can be done with the method
5007 @example
5008 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5009 @end example
5010 In the case of more than
5011 one variable, the variables are given as a list.
5012
5013 @example
5014 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5015 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5016 @end example
5017
5018 @subsection Expanding and collecting
5019 @cindex @code{expand()}
5020 @cindex @code{collect()}
5021 @cindex @code{collect_common_factors()}
5022
5023 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5024 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5025 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5026 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5027 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5028 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5029 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5030 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5031 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5032 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5033 x*z}.
5034
5035 To bring an expression into expanded form, its method
5036
5037 @example
5038 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5039 @end example
5040
5041 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5042 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5043 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5044 orderings of terms in such sums!
5045
5046 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5047 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5048 being polynomials in the remaining variables.  The method
5049 @code{collect()} accomplishes this task:
5050
5051 @example
5052 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5053 @end example
5054
5055 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5056 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5057 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5058 by the @code{distributed} flag.
5059
5060 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5061 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5062 coefficients properly.
5063
5064 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5065 together with @code{find()}:
5066
5067 @example
5068 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5069 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)
5070 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5071 > collect(a,@{p,q@});
5072 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5073 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5074 > collect(a,find(a,sin($1)));
5075 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5076 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5077 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5078 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5079 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5080 @end example
5081
5082 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5083 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5084
5085 @example
5086 ex collect_common_factors(const ex & e);
5087 @end example
5088
5089 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5090 factors which are already explicitly present:
5091
5092 @example
5093 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5094 (x+y)*a
5095 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5096 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5097 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5098 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5099 @end example
5100
5101 @subsection Degree and coefficients
5102 @cindex @code{degree()}
5103 @cindex @code{ldegree()}
5104 @cindex @code{coeff()}
5105
5106 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5107 methods
5108
5109 @example
5110 int ex::degree(const ex & s);
5111 int ex::ldegree(const ex & s);
5112 @end example
5113
5114 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5115 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5116 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5117 an expanded polynomial you use
5118
5119 @example
5120 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5121 @end example
5122
5123 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5124
5125 @example
5126 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5127 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5128 @end example
5129
5130 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5131 respectively.
5132
5133 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5134 polynomial is analyzed:
5135
5136 @example
5137 @{
5138     symbol x("x"), y("y");
5139     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5140                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5141     ex Poly = PolyInp.expand();
5142     
5143     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5144         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5145              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5146     @}
5147     cout << "As polynomial in y: " 
5148          << Poly.collect(y) << endl;
5149 @}
5150 @end example
5151
5152 When run, it returns an output in the following fashion:
5153
5154 @example
5155 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5156 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5157 The x^2-coefficient is -1
5158 The x^3-coefficient is 4*y
5159 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5160 @end example
5161
5162 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5163 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5164 within the user's sphere of influence.
5165
5166 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5167 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5168 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5169 constants, functions and indexed objects as well:
5170
5171 @example
5172 @{
5173     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5174     idx i(symbol("i"), 3);
5175
5176     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5177     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5178      // -> 4
5179     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5180      // -> -4*cos(x)
5181
5182     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5183     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5184     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5185      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5186 @}
5187 @end example
5188
5189
5190 @subsection Polynomial division
5191 @cindex polynomial division
5192 @cindex quotient
5193 @cindex remainder
5194 @cindex pseudo-remainder
5195 @cindex @code{quo()}
5196 @cindex @code{rem()}
5197 @cindex @code{prem()}
5198 @cindex @code{divide()}
5199
5200 The two functions
5201
5202 @example
5203 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5204 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5205 @end example
5206
5207 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5208 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5209
5210 The additional function
5211
5212 @example
5213 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5214 @end example
5215
5216 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5217 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5218
5219 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5220
5221 @example
5222 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5223 @end example
5224
5225 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5226 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5227 in which case the value of @code{q} is undefined.
5228
5229
5230 @subsection Unit, content and primitive part
5231 @cindex @code{unit()}
5232 @cindex @code{content()}
5233 @cindex @code{primpart()}
5234 @cindex @code{unitcontprim()}
5235
5236 The methods
5237
5238 @example
5239 ex ex::unit(const ex & x);
5240 ex ex::content(const ex & x);
5241 ex ex::primpart(const ex & x);
5242 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5243 @end example
5244
5245 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5246 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5247 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5248 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5249 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5250 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5251 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5252 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5253
5254 Additionally, the method
5255
5256 @example
5257 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5258 @end example
5259
5260 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5261 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5262
5263
5264 @subsection GCD, LCM and resultant
5265 @cindex GCD
5266 @cindex LCM
5267 @cindex @code{gcd()}
5268 @cindex @code{lcm()}
5269
5270 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5271 multiple have the synopsis
5272
5273 @example
5274 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5275 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5276 @end example
5277
5278 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5279 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5280 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5281 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5282 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5283 the coefficients must be rationals.
5284
5285 @example
5286 #include <ginac/ginac.h>
5287 using namespace GiNaC;
5288
5289 int main()
5290 @{
5291     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5292     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5293     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5294
5295     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5296     // x + 5*y + 4*z
5297     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5298     // 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
5299 @}
5300 @end example
5301
5302 @cindex resultant
5303 @cindex @code{resultant()}
5304
5305 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5306 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5307 expressions. The function has the interface
5308
5309 @example
5310 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5311 @end example
5312
5313 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5314 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5315 @code{y}, respectively:
5316
5317 @example
5318 #include <ginac/ginac.h>
5319 using namespace GiNaC;
5320
5321 int main()
5322 @{
5323     symbol x("x"), y("y");
5324
5325     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5326     ex r;
5327     
5328     r = resultant(e1, e2, x); 
5329     // -> 1+2*y^6
5330     r = resultant(e1, e2, y); 
5331     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5332 @}
5333 @end example
5334
5335 @subsection Square-free decomposition
5336 @cindex square-free decomposition
5337 @cindex factorization
5338 @cindex @code{sqrfree()}
5339
5340 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5341 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5342 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5343 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5344 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5345 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5346 one, too:
5347 @example
5348 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5349 @end example
5350 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5351 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5352 some care with subsequent processing of the result:
5353 @example
5354     ...
5355     symbol x("x"), y("y");
5356     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5357
5358     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5359      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5360
5361     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5362      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5363
5364     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5365      // -> depending on luck, any of the above
5366     ...
5367 @end example
5368 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5369 with this method.
5370
5371
5372 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5373 @c    node-name, next, previous, up
5374 @section Rational expressions
5375
5376 @subsection The @code{normal} method
5377 @cindex @code{normal()}
5378 @cindex simplification
5379 @cindex temporary replacement
5380
5381 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5382 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5383 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5384 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5385 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5386 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5387
5388 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5389 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5390 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5391 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5392 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5393 @code{.to_rational()}, described below.
5394
5395 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5396 simplified in this little code snippet:
5397
5398 @example
5399 @{
5400     symbol x("x");
5401     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5402     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5403     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5404     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5405 @}
5406 @end example
5407
5408 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5409 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5410 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5411
5412
5413 @subsection Numerator and denominator
5414 @cindex numerator
5415 @cindex denominator
5416 @cindex @code{numer()}
5417 @cindex @code{denom()}
5418 @cindex @code{numer_denom()}
5419
5420 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5421
5422 @example
5423 ex ex::numer();
5424 ex ex::denom();
5425 ex ex::numer_denom();
5426 @end example
5427
5428 These functions will first normalize the expression as described above and
5429 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5430 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5431 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5432
5433
5434 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5435 @cindex @code{to_polynomial()}
5436 @cindex @code{to_rational()}
5437
5438 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5439 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5440 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5441 above. You do this by calling
5442
5443 @example
5444 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5445 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5446 @end example
5447 or
5448 @example
5449 ex ex::to_rational(exmap & m);
5450 ex ex::to_rational(lst & l);
5451 @end example
5452
5453 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5454 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5455 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5456 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5457 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5458 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5459
5460 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5461 is probably best illustrated with an example:
5462
5463 @example
5464 @{
5465     symbol x("x"), y("y");
5466     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5467     cout << a << endl;
5468
5469     lst lp;
5470     ex p = a.to_polynomial(lp);
5471     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5472      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5473      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5474
5475     lst lr;
5476     ex r = a.to_rational(lr);
5477     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5478      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5479      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5480 @}
5481 @end example
5482
5483 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5484
5485 @example
5486 @{
5487     symbol x("x");
5488     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5489     ex b = sin(x) + cos(x);
5490     ex q;
5491     exmap m;
5492     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5493     cout << q.subs(m) << endl;
5494 @}
5495 @end example
5496
5497
5498 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5499 @c    node-name, next, previous, up
5500 @section Symbolic differentiation
5501 @cindex differentiation
5502 @cindex @code{diff()}
5503 @cindex chain rule
5504 @cindex product rule
5505
5506 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5507 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5508 the derivatives of all the monomials:
5509
5510 @example
5511 @{
5512     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5513     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5514
5515     cout << P.diff(x,2) << endl;
5516      // -> 20*x^3 + 2
5517     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5518      // -> 1
5519     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5520      // -> 0
5521 @}
5522 @end example
5523
5524 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5525 returns the @var{n}th derivative.
5526
5527 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5528 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5529 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5530 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5531 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5532 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5533 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5534 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5535 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5536 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5537 lines:
5538
5539 @cindex Euler numbers
5540 @example
5541 #include <ginac/ginac.h>
5542 using namespace GiNaC;
5543
5544 ex EulerNumber(unsigned n)
5545 @{
5546     symbol x;
5547     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5548     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5549 @}
5550
5551 int main()
5552 @{
5553     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5554         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5555     return 0;
5556 @}
5557 @end example
5558
5559 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5560 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5561 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5562
5563
5564 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5565 @c    node-name, next, previous, up
5566 @section Series expansion
5567 @cindex @code{series()}
5568 @cindex Taylor expansion
5569 @cindex Laurent expansion
5570 @cindex @code{pseries} (class)
5571 @cindex @code{Order()}
5572
5573 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5574 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5575 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5576 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5577 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5578 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5579 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5580 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5581 term).  A sample application from special relativity could read:
5582
5583 @example
5584 #include <ginac/ginac.h>
5585 using namespace std;
5586 using namespace GiNaC;
5587
5588 int main()
5589 @{
5590     symbol v("v"), c("c");
5591     
5592     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5593     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5594     
5595     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5596          << mass_nonrel << endl;
5597     
5598     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5599          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5600 @}
5601 @end example
5602
5603 Only calling the series method makes the last output simplify to
5604 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5605 series raised to the power @math{-2}.
5606
5607 @cindex Machin's formula
5608 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5609 value of Archimedes' constant
5610 @tex
5611 $\pi$
5612 @end tex
5613 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5614 using John Machin's amazing formula
5615 @tex
5616 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5617 @end tex
5618 @ifnottex
5619 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5620 @end ifnottex
5621 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5622 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5623 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5624 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5625 order term with it and the question arises what the system is supposed
5626 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5627 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5628 term off:
5629
5630 @example
5631 #include <ginac/ginac.h>
5632 using namespace GiNaC;
5633
5634 ex machin_pi(int degr)
5635 @{
5636     symbol x;
5637     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5638     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5639                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5640     return pi_approx;
5641 @}
5642
5643 int main()
5644 @{
5645     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5646     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5647     ex pi_frac;
5648     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5649         pi_frac = machin_pi(i);
5650         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5651              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5652     @}
5653     return 0;
5654 @}
5655 @end example
5656
5657 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5658 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5659 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5660 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5661 program, it will type out:
5662
5663 @example
5664 2:      3804/1195
5665         3.1832635983263598326
5666 4:      5359397032/1706489875
5667         3.1405970293260603143
5668 6:      38279241713339684/12184551018734375
5669         3.141621029325034425
5670 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5671         3.141591772182177295
5672 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5673         3.1415926824043995174
5674 @end example
5675
5676
5677 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5678 @c    node-name, next, previous, up
5679 @section Symmetrization
5680 @cindex @code{symmetrize()}
5681 @cindex @code{antisymmetrize()}
5682 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5683
5684 The three methods
5685
5686 @example
5687 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5688 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5689 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5690 @end example
5691
5692 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5693 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5694 weighted by the number of permutations.
5695
5696 The three additional methods
5697
5698 @example
5699 ex ex::symmetrize();
5700 ex ex::antisymmetrize();
5701 ex ex::symmetrize_cyclic();
5702 @end example
5703
5704 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5705
5706 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5707 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5708
5709 @example
5710 @{
5711     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5712     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5713                                            
5714     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5715      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5716     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5717      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5718     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5719      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5720 @}
5721 @end example
5722
5723 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5724 @c    node-name, next, previous, up
5725 @section Predefined mathematical functions
5726 @c
5727 @subsection Overview
5728
5729 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5730
5731 @cartouche
5732 @multitable @columnfractions .30 .70
5733 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5734 @item @code{abs(x)}
5735 @tab absolute value
5736 @cindex @code{abs()}
5737 @item @code{step(x)}
5738 @tab step function
5739 @cindex @code{step()}
5740 @item @code{csgn(x)}
5741 @tab complex sign
5742 @cindex @code{conjugate()}
5743 @item @code{conjugate(x)}
5744 @tab complex conjugation
5745 @cindex @code{real_part()}
5746 @item @code{real_part(x)}
5747 @tab real part
5748 @cindex @code{imag_part()}
5749 @item @code{imag_part(x)}
5750 @tab imaginary part
5751 @item @code{sqrt(x)}
5752 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5753 @cindex @code{sqrt()}
5754 @item @code{sin(x)}
5755 @tab sine
5756 @cindex @code{sin()}
5757 @item @code{cos(x)}
5758 @tab cosine
5759 @cindex @code{cos()}
5760 @item @code{tan(x)}
5761 @tab tangent
5762 @cindex @code{tan()}
5763 @item @code{asin(x)}
5764 @tab inverse sine
5765 @cindex @code{asin()}
5766 @item @code{acos(x)}
5767 @tab inverse cosine
5768 @cindex @code{acos()}
5769 @item @code{atan(x)}
5770 @tab inverse tangent
5771 @cindex @code{atan()}
5772 @item @code{atan2(y, x)}
5773 @tab inverse tangent with two arguments
5774 @item @code{sinh(x)}
5775 @tab hyperbolic sine
5776 @cindex @code{sinh()}
5777 @item @code{cosh(x)}
5778 @tab hyperbolic cosine
5779 @cindex @code{cosh()}
5780 @item @code{tanh(x)}
5781 @tab hyperbolic tangent
5782 @cindex @code{tanh()}
5783 @item @code{asinh(x)}
5784 @tab inverse hyperbolic sine
5785 @cindex @code{asinh()}
5786 @item @code{acosh(x)}
5787 @tab inverse hyperbolic cosine
5788 @cindex @code{acosh()}
5789 @item @code{atanh(x)}
5790 @tab inverse hyperbolic tangent
5791 @cindex @code{atanh()}
5792 @item @code{exp(x)}
5793 @tab exponential function
5794 @cindex @code{exp()}
5795 @item @code{log(x)}
5796 @tab natural logarithm
5797 @cindex @code{log()}
5798 @item @code{Li2(x)}
5799 @tab dilogarithm
5800 @cindex @code{Li2()}
5801 @item @code{Li(m, x)}
5802 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5803 @cindex @code{Li()}
5804 @item @code{G(a, y)}
5805 @tab multiple polylogarithm
5806 @cindex @code{G()}
5807 @item @code{G(a, s, y)}
5808 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5809 @cindex @code{G()}
5810 @item @code{S(n, p, x)}
5811 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5812 @cindex @code{S()}
5813 @item @code{H(m, x)}
5814 @tab harmonic polylogarithm
5815 @cindex @code{H()}
5816 @item @code{zeta(m)}
5817 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5818 @cindex @code{zeta()}
5819 @item @code{zeta(m, s)}
5820 @tab alternating Euler sum
5821 @cindex @code{zeta()}
5822 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5823 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5824 @item @code{tgamma(x)}
5825 @tab gamma function
5826 @cindex @code{tgamma()}
5827 @cindex gamma function
5828 @item @code{lgamma(x)}
5829 @tab logarithm of gamma function
5830 @cindex @code{lgamma()}
5831 @item @code{beta(x, y)}
5832 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5833 @cindex @code{beta()}
5834 @item @code{psi(x)}
5835 @tab psi (digamma) function
5836 @cindex @code{psi()}
5837 @item @code{psi(n, x)}
5838 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5839 @item @code{factorial(n)}
5840 @tab factorial function @math{n!}
5841 @cindex @code{factorial()}
5842 @item @code{binomial(n, k)}
5843 @tab binomial coefficients
5844 @cindex @code{binomial()}
5845 @item @code{Order(x)}
5846 @tab order term function in truncated power series
5847 @cindex @code{Order()}
5848 @end multitable
5849 @end cartouche
5850
5851 @cindex branch cut
5852 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5853 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5854 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5855 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5856 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5857 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5858 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5859 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5860 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5861 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5862 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5863 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5864 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5865 compatible with C99.
5866
5867 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5868 @c    node-name, next, previous, up
5869 @subsection Multiple polylogarithms
5870
5871 @cindex polylogarithm
5872 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5873 @cindex harmonic polylogarithm
5874 @cindex multiple zeta value
5875 @cindex alternating Euler sum
5876 @cindex multiple polylogarithm
5877
5878 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5879 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5880 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5881 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5882 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5883 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5884 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5885 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5886 notations are more natural to the series representation or the integral
5887 representation, respectively.
5888
5889 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5890 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5891 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5892
5893 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5894 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5895 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5896 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5897 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5898 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5899 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5900 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5901 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5902 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5903 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5904
5905 The functions print in LaTeX format as
5906 @tex
5907 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5908 @end tex
5909 @tex
5910 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5911 @end tex
5912 @tex
5913 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5914 @end tex
5915 @tex
5916 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5917 @end tex
5918 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5919 are printed with a line above, e.g.
5920 @tex
5921 $\zeta(5,\overline{2})$.
5922 @end tex
5923 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5924
5925 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5926 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5927 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5928 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5929
5930 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5931 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5932 the series representation. This means
5933 @tex
5934 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5935 @end tex
5936 @tex
5937 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5938 @end tex
5939 @tex
5940 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5941 @end tex
5942 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5943 is reversed.
5944
5945 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5946 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5947 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5948 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5949 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5950 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5951 @tex
5952 $\zeta(\overline{3},4)$
5953 @end tex
5954 and
5955 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5956 @tex
5957 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5958 @end tex
5959 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5960 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5961 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
5962 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5963 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5964 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5965 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5966
5967 @example
5968 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5969 S(2,2,x)
5970 > H(@{-3,2@},1);
5971 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5972 > S(3,1,1);
5973 1/90*Pi^4
5974 @end example
5975
5976 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5977 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5978 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5979 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5980 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5981 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5982
5983 @example
5984 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5985 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5986 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5987 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5988 @end example
5989
5990 Every function can be numerically evaluated for
5991 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5992 global variable @code{Digits}:
5993
5994 @example
5995 > Digits=100;
5996 100
5997 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5998 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5999 @end example
6000
6001 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6002 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6003
6004 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6005 unevaluated, e.g.
6006 @tex
6007 $\zeta(1)$.
6008 @end tex
6009 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6010 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6011 cancellations of divergencies happen.
6012
6013 Useful publications:
6014
6015 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6016 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6017
6018 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6019 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6020
6021 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6022 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6023
6024 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6025 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6026
6027 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6028 @c    node-name, next, previous, up
6029 @section Complex expressions
6030 @c
6031 @cindex @code{conjugate()}
6032
6033 For dealing with complex expressions there are the methods
6034
6035 @example
6036 ex ex::conjugate();
6037 ex ex::real_part();
6038 ex ex::imag_part();
6039 @end example
6040
6041 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6042 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6043 for all built-in functinos and objects. Taking real and imaginary
6044 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6045 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6046 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6047 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6048 (symbols are complex by default), one could not simplify
6049 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6050 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6051
6052 For example,
6053 @example
6054 @{
6055     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6056     symbol x("x");
6057     realsymbol y("y");
6058                                            
6059     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6060      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6061     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6062      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6063 @}
6064 @end example
6065
6066 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6067 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6068 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6069 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6070 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6071 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6072
6073 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6074 @c    node-name, next, previous, up
6075 @section Solving linear systems of equations
6076 @cindex @code{lsolve()}
6077
6078 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6079 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6080 needs to be solved:
6081
6082 @example
6083 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6084           unsigned options = solve_algo::automatic);
6085 @end example
6086
6087 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6088 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6089 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6090 @code{lst}).
6091
6092 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6093 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6094
6095 @example
6096 @{
6097     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6098     lst eqns, vars;
6099     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6100     vars = x, y;
6101     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6102      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6103 @end example
6104
6105 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6106 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6107 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6108 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6109 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6110 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6111 around that method.
6112
6113
6114 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6115 @c    node-name, next, previous, up
6116 @section Input and output of expressions
6117 @cindex I/O
6118
6119 @subsection Expression output
6120 @cindex printing
6121 @cindex output of expressions
6122
6123 Expressions can simply be written to any stream:
6124
6125 @example
6126 @{
6127     symbol x("x");
6128     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6129     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6130     // ...
6131 @end example
6132
6133 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6134 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6135 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6136 is printed as @samp{x^2}).
6137
6138 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6139 a set of stream manipulators;
6140
6141 @example
6142 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6143 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6144 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6145 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6146 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6147 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6148 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6149 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6150 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6151 @end example
6152
6153 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6154 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6155 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6156
6157 @cindex @code{dflt}
6158 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6159 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6160
6161 @example
6162     // ...
6163     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6164                               // now on
6165     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6166     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6167     cout << dflt;             // revert to default output format
6168     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6169     // ...
6170 @end example
6171
6172 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6173 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6174
6175 @example
6176     // ...
6177     ostringstream s;
6178     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6179     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6180     // ...
6181 @end example
6182
6183 @cindex @code{csrc}
6184 @cindex @code{csrc_float}
6185 @cindex @code{csrc_double}
6186 @cindex @code{csrc_cl_N}
6187 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6188 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6189 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6190 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6191 classes provided by the CLN library):
6192
6193 @example
6194     // ...
6195     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6196     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6197     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6198     // ...
6199 @end example
6200
6201 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6202 @code{x*x}):
6203
6204 @example
6205 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6206 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6207 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6208 @end example
6209
6210 @cindex @code{tree}
6211 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6212 expression for debugging purposes:
6213
6214 @example
6215     // ...
6216     cout << tree << e;
6217 @}
6218 @end example
6219
6220 produces
6221
6222 @example
6223 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6224     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6225         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6226         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6227     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6228     -----
6229     overall_coeff
6230     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6231     =====
6232 @end example
6233
6234 @cindex @code{latex}
6235 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6236 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6237 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6238 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6239 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6240 constructor.
6241
6242 For example, the code snippet
6243
6244 @example
6245 @{
6246     symbol x("x", "\\circ");
6247     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6248     cout << latex << e << endl;
6249 @}
6250 @end example
6251
6252 will print
6253
6254 @example
6255     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6256     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6257 @end example
6258
6259 @cindex @code{index_dimensions}
6260 @cindex @code{no_index_dimensions}
6261 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6262 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6263 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6264 formats:
6265
6266 @example
6267 @{
6268     symbol x("x"), y("y");
6269     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6270     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6271
6272     cout << e << endl;
6273      // prints 'x~mu*y~nu'
6274     cout << index_dimensions << e << endl;
6275      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6276     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6277      // prints 'x~mu*y~nu'
6278 @}
6279 @end example
6280
6281
6282 @cindex Tree traversal
6283 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6284 with other algebra systems or for producing code for different
6285 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6286
6287 @example
6288 static void my_print(const ex & e)
6289 @{
6290     if (is_a<function>(e))
6291         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6292     else
6293         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6294     cout << "(";
6295     size_t n = e.nops();
6296     if (n)
6297         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6298             my_print(e.op(i));
6299             if (i != n-1)
6300                 cout << ",";
6301         @}
6302     else
6303         cout << e;
6304     cout << ")";
6305 @}
6306
6307 int main()
6308 @{
6309     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6310     return 0;
6311 @}
6312 @end example
6313
6314 This will produce
6315
6316 @example
6317 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6318 symbol(y))),numeric(-2)))
6319 @end example
6320
6321 If you need an output format that makes it possible to accurately
6322 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6323 object factory, you should consider storing the expression in an
6324 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6325 See the section on archiving for more information.
6326
6327
6328 @subsection Expression input
6329 @cindex input of expressions
6330
6331 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6332 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6333 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6334 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6335 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6336
6337 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6338 list of symbols to be used:
6339
6340 @example
6341 @{
6342     symbol x("x"), y("y");
6343     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6344 @}
6345 @end example
6346
6347 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6348 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6349 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6350 the list it will throw an exception.
6351
6352 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6353
6354 @example
6355 #include <iostream>
6356 #include <string>
6357 #include <stdexcept>
6358 #include <ginac/ginac.h>
6359 using namespace std;
6360 using namespace GiNaC;
6361
6362 int main()
6363 @{
6364     symbol x("x");
6365     string s;
6366
6367     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6368     getline(cin, s);
6369
6370     try @{
6371         ex e(s, lst(x));
6372         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6373         cout << e.diff(x) << ".\n";
6374     @} catch (exception &p) @{
6375         cerr << p.what() << endl;
6376     @}
6377 @}
6378 @end example
6379
6380
6381 @subsection Archiving
6382 @cindex @code{archive} (class)
6383 @cindex archiving
6384
6385 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6386 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6387 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6388 expression a unique name:
6389
6390 @example
6391 #include <fstream>
6392 using namespace std;
6393 #include <ginac/ginac.h>
6394 using namespace GiNaC;
6395
6396 int main()
6397 @{
6398     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6399
6400     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6401     ex bar = foo + 1;
6402
6403     archive a;
6404     a.archive_ex(foo, "foo");
6405     a.archive_ex(bar, "the second one");
6406     // ...
6407 @end example
6408
6409 The archive can then be written to a file:
6410
6411 @example
6412     // ...
6413     ofstream out("foobar.gar");
6414     out << a;
6415     out.close();
6416     // ...
6417 @end example
6418
6419 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6420 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6421
6422 @cindex @command{viewgar}
6423 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6424 the contents of GiNaC archive files:
6425
6426 @example
6427 $ viewgar foobar.gar
6428 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6429 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6430 @end example
6431
6432 The point of writing archive files is of course that they can later be
6433 read in again:
6434
6435 @example
6436     // ...
6437     archive a2;
6438     ifstream in("foobar.gar");
6439     in >> a2;
6440     // ...
6441 @end example
6442
6443 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6444
6445 @example
6446     // ...
6447     lst syms;
6448     syms = x, y;
6449
6450     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6451     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6452
6453     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6454     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6455     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6456 @}
6457 @end example
6458
6459 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6460 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6461 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6462 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6463 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6464 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6465 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6466 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6467
6468 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6469 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6470 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6471 functions that let you access the stored properties:
6472
6473 @example
6474 static void my_print2(const archive_node & n)
6475 @{
6476     string class_name;
6477     n.find_string("class", class_name);
6478     cout << class_name << "(";
6479
6480     archive_node::propinfovector p;
6481     n.get_properties(p);
6482
6483     size_t num = p.size();
6484     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6485         const string &name = p[i].name;
6486         if (name == "class")
6487             continue;
6488         cout << name << "=";
6489
6490         unsigned count = p[i].count;
6491         if (count > 1)
6492             cout << "@{";
6493
6494         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6495             switch (p[i].type) @{
6496                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6497                     bool x;
6498                     n.find_bool(name, x, j);
6499                     cout << (x ? "true" : "false");
6500                     break;
6501                 @}
6502                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6503                     unsigned x;
6504                     n.find_unsigned(name, x, j);
6505                     cout << x;
6506                     break;
6507                 @}
6508                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6509                     string x;
6510                     n.find_string(name, x, j);
6511                     cout << '\"' << x << '\"';
6512                     break;
6513                 @}
6514                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6515                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6516                     my_print2(x);
6517                     break;
6518                 @}
6519             @}
6520
6521             if (j != count-1)
6522                 cout << ",";
6523         @}
6524
6525         if (count > 1)
6526             cout << "@}";
6527
6528         if (i != num-1)
6529             cout << ",";
6530     @}
6531
6532     cout << ")";
6533 @}
6534
6535 int main()
6536 @{
6537     ex e = pow(2, x) - y;
6538     archive ar(e, "e");
6539     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6540     return 0;
6541 @}
6542 @end example
6543
6544 This will produce:
6545
6546 @example
6547 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6548 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6549 overall_coeff=numeric(number="0"))
6550 @end example
6551
6552 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6553 class may change between GiNaC versions.
6554
6555
6556 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6557 @c    node-name, next, previous, up
6558 @chapter Extending GiNaC
6559
6560 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6561 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6562 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6563 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6564 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6565 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6566
6567 @menu
6568 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6569 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6570 * Printing::                         Adding new output formats.
6571 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6572 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6573 @end menu
6574
6575
6576 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6577 @c    node-name, next, previous, up
6578 @section What doesn't belong into GiNaC
6579
6580 @cindex @command{ginsh}
6581 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6582 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6583 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6584 language.  There are no loops or conditional expressions in
6585 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6586 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6587 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6588 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6589 the future.
6590
6591 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6592 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6593 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6594 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6595 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6596 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6597 provided by CLN are much better suited.
6598
6599
6600 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6601 @c    node-name, next, previous, up
6602 @section Symbolic functions
6603
6604 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6605 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6606 two preprocessor macros:
6607
6608 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6609 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6610 @example
6611 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6612 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6613 @end example
6614
6615 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6616 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6617 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6618 @code{function} object that represents your function.
6619
6620 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6621 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6622 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6623 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6624 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6625 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6626 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6627 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6628
6629 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6630 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6631 done our best to avoid macros where we can.)
6632
6633 @subsection A minimal example
6634
6635 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6636 that is not further evaluated:
6637
6638 @example
6639 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6640
6641 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6642 @end example
6643
6644 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6645 in algebraic expressions:
6646
6647 @example
6648 @{
6649     ...
6650     symbol x("x");
6651     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6652     cout << e << endl;
6653      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6654     ...
6655 @}
6656 @end example
6657
6658 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6659 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6660 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6661 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6662
6663 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6664 example of how to make an "intelligent" function.
6665
6666 @subsection The cosine function
6667
6668 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6669
6670 @example
6671 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6672 @end example
6673
6674 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6675 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6676 this function in expressions.
6677
6678 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6679 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6680
6681 @example
6682 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6683                        evalf_func(cos_evalf).
6684                        derivative_func(cos_deriv).
6685                        latex_name("\\cos"));
6686 @end example
6687
6688 There are four options defined for the cosine function. One of them
6689 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6690 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6691 function are defined.
6692
6693 @cindex @code{hold()}
6694 @cindex evaluation
6695 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6696 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6697 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6698 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6699 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6700 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6701 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6702 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6703 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6704 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6705 somewhere.
6706
6707 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6708 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6709 what is going on):
6710
6711 @example
6712 static ex cos_eval(const ex & x)
6713 @{
6714     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6715         return 1;
6716     else if ("x is a multiple of Pi")
6717         return -1;
6718     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6719         return 0;
6720     // more rules...
6721
6722     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6723         return y;
6724     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6725         return sqrt(1-y^2);
6726     // more rules...
6727
6728     else
6729         return cos(x).hold();
6730 @}
6731 @end example
6732
6733 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6734
6735 @example
6736 @{
6737     ...
6738     e = cos(Pi);
6739      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6740      // the actual expression
6741     cout << e << endl;
6742      // prints '-1'
6743     ...
6744 @}
6745 @end example
6746
6747 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6748 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6749 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6750 with @code{.hold()}.
6751
6752 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6753 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6754 different function:
6755
6756 @example
6757 static ex cos_evalf(const ex & x)
6758 @{
6759     if (is_a<numeric>(x))
6760         return cos(ex_to<numeric>(x));
6761     else
6762         return cos(x).hold();
6763 @}
6764 @end example
6765
6766 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6767 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6768 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6769 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6770 function would require it in this place.
6771
6772 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6773 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6774 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6775 @code{ex::diff}):
6776
6777 @example
6778 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6779 @{
6780     return -sin(x);
6781 @}
6782 @end example
6783
6784 @cindex product rule
6785 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6786 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6787 case the function has more than one parameter, and its main application
6788 is for correct handling of the chain rule.
6789
6790 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6791 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6792 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6793 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6794
6795 @example
6796 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6797                      int order, unsigned options)
6798 @{
6799     // Find the actual expansion point
6800     const ex x_pt = x.subs(rel);
6801
6802     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6803         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6804
6805     // On a pole, expand sin()/cos()
6806     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6807 @}
6808 @end example
6809
6810 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6811 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6812
6813 @subsection Function options
6814
6815 GiNaC functions understand several more options which are always
6816 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6817 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6818 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6819 functions without any special options.
6820
6821 @example
6822 eval_func(<C++ function>)
6823 evalf_func(<C++ function>)
6824 derivative_func(<C++ function>)
6825 series_func(<C++ function>)
6826 conjugate_func(<C++ function>)
6827 @end example
6828
6829 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6830 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6831 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6832 @code{diff()} and @code{series()}.
6833
6834 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6835 automatic evaluation is desired or possible.
6836
6837 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6838 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6839 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6840 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6841 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6842 suitable transformation.
6843
6844 @example
6845 latex_name(const string & n)
6846 @end example
6847
6848 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6849 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6850
6851 @example
6852 do_not_evalf_params()
6853 @end example
6854
6855 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6856 function before calling the @code{evalf_func()}.
6857
6858 @example
6859 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6860 @end example
6861
6862 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6863 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6864 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6865 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6866 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6867 commutation properties of their first argument.
6868
6869 @example
6870 set_symmetry(const symmetry & s)
6871 @end example
6872
6873 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6874 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6875 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6876 symmetric functions into a canonical order.
6877
6878 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6879 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6880 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6881 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6882 with the
6883
6884 @example
6885 print_func<C>(<C++ function>)
6886 @end example
6887
6888 option which is explained in the next section.
6889
6890 @subsection Functions with a variable number of arguments
6891
6892 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6893 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6894 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6895 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6896 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6897
6898 It is also possible to define functions that accept a different number of
6899 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6900 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6901 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6902 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6903 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6904 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6905 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6906 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6907
6908
6909 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6910 @c    node-name, next, previous, up
6911 @section GiNaC's expression output system
6912
6913 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6914 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
6915 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6916 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6917 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6918 functions.
6919
6920 @cindex @code{print_context} (class)
6921 @cindex @code{print_dflt} (class)
6922 @cindex @code{print_latex} (class)
6923 @cindex @code{print_tree} (class)
6924 @cindex @code{print_csrc} (class)
6925 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6926 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6927 header file:
6928
6929 @table @code
6930 @item print_dflt
6931 the default output format
6932 @item print_latex
6933 output in LaTeX mathematical mode
6934 @item print_tree
6935 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6936 @item print_csrc
6937 the base class for C source output
6938 @item print_csrc_float
6939 C source output using the @code{float} type
6940 @item print_csrc_double
6941 C source output using the @code{double} type
6942 @item print_csrc_cl_N
6943 C source output using CLN types
6944 @end table
6945
6946 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6947
6948 @example
6949 class print_context
6950 @{
6951     ...
6952 public:
6953     std::ostream & s;
6954     unsigned options;
6955 @};
6956 @end example
6957
6958 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6959 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6960 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6961 to print the index dimension which is normally hidden.
6962
6963 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6964 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6965 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6966 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6967
6968 @cindex @code{print()}
6969 @example
6970 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6971 @end example
6972
6973 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6974 top-level algebraic object contained in the expression.
6975
6976 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6977 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6978 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6979 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6980 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6981 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6982 (single) virtual function dispatch.
6983
6984 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6985 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6986 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6987 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6988 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6989 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6990 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6991 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6992 object's class name enclosed in square brackets).
6993
6994 You can think of the print methods of all the different classes and output
6995 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6996 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6997 classes.
6998
6999 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7000 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7001 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7002 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7003 methods at run-time).
7004
7005 @subsection Print methods for classes
7006
7007 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7008 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7009 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7010 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7011 can also be used to override existing methods dynamically.
7012
7013 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7014 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7015 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7016 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7017 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7018 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7019 the class is the one being implemented by
7020 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7021
7022 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7023 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7024 @code{unsigned}.
7025
7026 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7027 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7028 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7029 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7030 private and protected members of @code{T}.
7031
7032 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7033 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7034 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7035 purposes if you write your own output formats.
7036
7037 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7038 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7039 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7040 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7041
7042 @example
7043 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7044                              const print_latex & c,
7045                              unsigned level)
7046 @{
7047     // get the precedence of the 'power' class
7048     unsigned power_prec = p.precedence();
7049
7050     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7051     // we need parentheses around the power
7052     if (level >= power_prec)
7053         c.s << '(';
7054
7055     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7056     // separated by an uparrow
7057     c.s << '@{';
7058     p.op(0).print(c, power_prec);
7059     c.s << "@}\\uparrow@{";
7060     p.op(1).print(c, power_prec);
7061     c.s << '@}';
7062
7063     // don't forget the closing parenthesis
7064     if (level >= power_prec)
7065         c.s << ')';
7066 @}
7067                                                                                 
7068 int main()
7069 @{
7070     // a sample expression
7071     symbol x("x"), y("y");
7072     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7073
7074     // switch to LaTeX mode
7075     cout << latex;
7076
7077     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7078     cout << e << endl;
7079
7080     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7081     // our own one
7082     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7083
7084     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7085     //              \uparrow@{2@}@}"
7086     cout << e << endl;
7087 @}
7088 @end example
7089
7090 Some notes:
7091
7092 @itemize
7093
7094 @item
7095 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7096 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7097
7098 @item
7099 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7100 @code{power} objects for the purpose of printing.
7101
7102 @item
7103 The output of products including negative powers as fractions is also
7104 controlled by the @code{mul} class.
7105
7106 @item
7107 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7108 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7109
7110 @end itemize
7111
7112 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7113 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7114 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7115 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7116 sources, find the method that is installed at startup
7117 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7118 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7119
7120 @subsection Print methods for functions
7121
7122 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7123 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7124 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7125 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7126 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7127
7128 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7129
7130 @example
7131 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7132 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7133                                                                                 
7134 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7135 @{
7136     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7137 @}
7138                                                                                 
7139 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7140 @{
7141     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7142 @}
7143                                                                                 
7144 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7145                        evalf_func(abs_evalf).
7146                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7147                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7148                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7149 @end example
7150
7151 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7152 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7153
7154 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7155
7156 @subsection Adding new output formats
7157
7158 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7159 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7160 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7161 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7162 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7163 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7164 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7165 options value.
7166
7167 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7168
7169 @example
7170 class print_myformat : public print_dflt
7171 @{
7172     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7173 public:
7174     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7175      : print_dflt(os, opt) @{@}
7176 @};
7177
7178 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7179
7180 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7181 @end example
7182
7183 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7184 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7185 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7186 format are implemented as print methods, as described above.
7187
7188 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7189 exactly like GiNaC's default output format:
7190
7191 @example
7192 @{
7193     symbol x("x");
7194     ex e = pow(x, 2) + 1;
7195
7196     // this prints "1+x^2"
7197     cout << e << endl;
7198     
7199     // this also prints "1+x^2"
7200     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7201
7202     ...
7203 @}
7204 @end example
7205
7206 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7207 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7208
7209 @example
7210 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7211 // example above for explanations.
7212 void print_power_as_myformat(const power & p,
7213                              const print_myformat & c,
7214                              unsigned level)
7215 @{
7216     unsigned power_prec = p.precedence();
7217     if (level >= power_prec)
7218         c.s << '(';
7219     p.op(0).print(c, power_prec);
7220     c.s << "**";
7221     p.op(1).print(c, power_prec);
7222     if (level >= power_prec)
7223         c.s << ')';
7224 @}
7225
7226 @{
7227     ...
7228     // install a new print method for power objects
7229     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7230
7231     // now this prints "1+x**2"
7232     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7233
7234     // but the default format is still "1+x^2"
7235     cout << e << endl;
7236 @}
7237 @end example
7238
7239
7240 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7241 @c    node-name, next, previous, up
7242 @section Structures
7243
7244 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7245 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7246 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7247 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7248 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7249
7250 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7251 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7252 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7253 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7254 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7255 read both sections because many common concepts and member functions are
7256 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7257 is most suited to your needs.
7258
7259 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7260 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7261 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7262
7263 @subsection Example: scalar products
7264
7265 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7266 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7267 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7268 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7269 product in a C++ @code{struct}:
7270
7271 @example
7272 #include <iostream>
7273 using namespace std;
7274
7275 #include <ginac/ginac.h>
7276 using namespace GiNaC;
7277
7278 struct sprod_s @{
7279     ex left, right;
7280
7281     sprod_s() @{@}
7282     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7283 @};
7284 @end example
7285
7286 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7287 data structure, we need only one line:
7288
7289 @example
7290 typedef structure<sprod_s> sprod;
7291 @end example
7292
7293 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7294 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7295 expressions like any other GiNaC class:
7296
7297 @example
7298 ...
7299     symbol a("a"), b("b");
7300     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7301 ...
7302 @end example
7303
7304 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7305 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7306 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7307 constructed from an @code{sprod_s} object.
7308
7309 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7310 you could define a little wrapper function like this:
7311
7312 @example
7313 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7314 @{
7315     return sprod(sprod_s(left, right));
7316 @}
7317 @end example
7318
7319 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7320 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7321 @code{get_struct()}:
7322
7323 @example
7324 ...
7325     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7326      // -> a
7327     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7328      // -> b
7329 ...
7330 @end example
7331
7332 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7333
7334 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7335 that deal with scalar products, for example:
7336
7337 @example
7338 ex swap_sprod(ex p)
7339 @{
7340     if (is_a<sprod>(p)) @{
7341         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7342         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7343     @} else
7344         return p;
7345 @}
7346
7347 ...
7348     f = swap_sprod(e);
7349      // f is now <b|a>
7350 ...
7351 @end example
7352
7353 @subsection Structure output
7354
7355 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7356 desired, most notably proper output:
7357
7358 @example
7359 ...
7360     cout << e << endl;
7361      // -> [structure object]
7362 ...
7363 @end example
7364
7365 By default, any structure types you define will be printed as
7366 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7367 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7368 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7369 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7370 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7371 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7372
7373 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7374 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7375
7376 @example
7377 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7378 @{
7379     // tree debug output handled by superclass
7380     if (is_a<print_tree>(c))
7381         inherited::print(c, level);
7382
7383     // get the contained sprod_s object
7384     const sprod_s & sp = get_struct();
7385
7386     // print_context::s is a reference to an ostream
7387     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7388 @}
7389 @end example
7390
7391 Now we can print expressions containing scalar products:
7392
7393 @example
7394 ...
7395     cout << e << endl;
7396      // -> <a|b>
7397     cout << swap_sprod(e) << endl;
7398      // -> <b|a>
7399 ...
7400 @end example
7401
7402 @subsection Comparing structures
7403
7404 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7405 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7406 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7407 and undesired behavior:
7408
7409 @example
7410 ...
7411     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7412      // -> 0
7413     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7414      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7415 ...
7416 @end example
7417
7418 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7419 for objects of type @code{sprod_s}:
7420
7421 @example
7422 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7423 @{
7424     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7425 @}
7426
7427 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7428 @{
7429     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7430            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7431 @}
7432 @end example
7433
7434 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7435 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7436 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7437 in the implementation of these operators because they would construct
7438 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7439 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7440 decide which one is algebraically 'less').
7441
7442 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7443 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7444
7445 @example
7446 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7447 @end example
7448
7449 @code{sprod} objects then behave as expected:
7450
7451 @example
7452 ...
7453     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7454      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7455     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7456      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7457     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7458      // -> 0
7459     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7460      // -> 2*<a|b>
7461 ...
7462 @end example
7463
7464 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7465 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7466 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7467 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7468 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7469 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7470
7471 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7472 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7473 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7474 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7475 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7476 undefined value) that the @code{T} class might have.
7477
7478 @subsection Subexpressions
7479
7480 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7481 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7482 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7483
7484 @example
7485 size_t sprod::nops() const
7486 @{
7487     return 2;
7488 @}
7489
7490 ex sprod::op(size_t i) const
7491 @{
7492     switch (i) @{
7493     case 0:
7494         return get_struct().left;
7495     case 1:
7496         return get_struct().right;
7497     default:
7498         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7499     @}
7500 @}
7501 @end example
7502
7503 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7504 @code{sprod} has two other nice side effects:
7505
7506 @itemize @bullet
7507 @item
7508 @code{has()} works as expected
7509 @item
7510 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7511 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7512 @end itemize
7513
7514 @cindex @code{let_op()}
7515 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7516 allows replacing subexpressions:
7517
7518 @example
7519 ex & sprod::let_op(size_t i)
7520 @{
7521     // every non-const member function must call this
7522     ensure_if_modifiable();
7523
7524     switch (i) @{
7525     case 0:
7526         return get_struct().left;
7527     case 1:
7528         return get_struct().right;
7529     default:
7530         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7531     @}
7532 @}
7533 @end example
7534
7535 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7536 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7537 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7538 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7539
7540 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7541 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7542 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7543 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7544 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7545 This is left as an exercise for the reader.
7546
7547 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7548 you can override by specialization to customize the behavior of your
7549 structures. You are referred to the next section for a description of
7550 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7551 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7552 @code{structure<T>} template: archiving.
7553
7554 @subsection Archiving structures
7555
7556 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7557 should first read the next section and then come back here. You're back?
7558 Good.
7559
7560 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7561 specializations for the @code{archive()} member function and the
7562 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7563 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7564 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7565 the class of an object is stored as a string, the class name.
7566
7567 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7568 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7569 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7570 need to provide a different name for each by specializing the
7571 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7572 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7573
7574 @example
7575 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7576
7577 void sprod::archive(archive_node & n) const
7578 @{
7579     inherited::archive(n);
7580     n.add_ex("left", get_struct().left);
7581     n.add_ex("right", get_struct().right);
7582 @}
7583
7584 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7585 @{
7586     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7587     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7588 @}
7589 @end example
7590
7591 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7592 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7593 @code{sprod::unarchive()} function.
7594
7595
7596 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7597 @c    node-name, next, previous, up
7598 @section Adding classes
7599
7600 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7601 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7602 severe of which being that you can't add any new member functions to
7603 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7604 from scratch.
7605
7606 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7607 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7608 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7609 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7610 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7611 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7612 representing tensor products is more involved but this section should give
7613 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7614 classes if you want to implement something more complicated.
7615
7616 @subsection GiNaC's run-time type information system
7617
7618 @cindex hierarchy of classes
7619 @cindex RTTI
7620 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7621 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7622 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7623 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7624 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7625 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7626 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7627 system that provides this kind of information is called a run-time type
7628 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7629 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7630 implements its own, simpler RTTI.
7631
7632 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7633
7634 @itemize @bullet
7635
7636 @item
7637 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7638 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7639 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7640 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7641
7642 @item
7643 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7644 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7645 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7646 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7647 @file{registrar.h} header file.
7648
7649 @end itemize
7650
7651 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7652 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7653 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7654 macros.
7655
7656 @subsection A minimalistic example
7657
7658 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7659 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7660 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7661 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7662 for your own classes.
7663
7664 The code snippets given here assume that you have included some header files
7665 as follows:
7666
7667 @example
7668 #include <iostream>
7669 #include <string>   
7670 #include <stdexcept>
7671 using namespace std;
7672
7673 #include <ginac/ginac.h>
7674 using namespace GiNaC;
7675 @end example
7676
7677 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7678 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7679 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7680 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7681 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7682 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7683
7684 @example
7685 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7686 @end example
7687
7688 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7689 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7690 object from a C or C++ string:
7691
7692 @example
7693 class mystring : public basic
7694 @{
7695     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7696   
7697 public:
7698     mystring(const string &s);
7699     mystring(const char *s);
7700
7701 private:
7702     string str;
7703 @};
7704
7705 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7706 @end example
7707
7708 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7709 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7710 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7711 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7712 the first line after the opening brace of the class definition. The
7713 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7714 source (at global scope, of course, not inside a function).
7715
7716 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7717 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7718 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7719 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7720 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7721 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7722 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7723 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7724
7725 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7726 class:
7727
7728 @itemize
7729
7730 @item
7731 @code{mystring()}, the default constructor.
7732
7733 @item
7734 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7735 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7736 @code{archive_node}.
7737
7738 @item
7739 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7740 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7741 found in an @code{archive_node}.
7742
7743 @item
7744 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7745 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7746 constructor.
7747
7748 @item
7749 @cindex @code{compare_same_type()}
7750 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7751 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7752 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7753 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7754 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7755 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7756 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7757 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7758 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7759 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7760 defined.
7761
7762 @item
7763 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7764 which are the two constructors we declared.
7765
7766 @end itemize
7767
7768 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7769
7770 @example
7771 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7772 @end example
7773
7774 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7775 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7776 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7777 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7778 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7779 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7780 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7781 to the right value manually.
7782
7783 In the default constructor you should set all other member variables to
7784 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7785 member gets set to an empty string automatically).
7786
7787 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7788 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7789 is really simple.  First, the archiving function:
7790
7791 @example
7792 void mystring::archive(archive_node &n) const
7793 @{
7794     inherited::archive(n);
7795     n.add_string("string", str);
7796 @}
7797 @end example
7798
7799 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7800 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7801 deem necessary for representing the object into the passed
7802 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7803 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7804 file.
7805
7806 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7807 function:
7808
7809 @example
7810 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7811 @{
7812     n.find_string("string", str);
7813 @}
7814 @end example
7815
7816 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7817 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7818 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7819 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7820
7821 Finally, the unarchiving function:
7822
7823 @example
7824 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7825 @{
7826     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7827 @}
7828 @end example
7829
7830 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7831 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7832 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7833 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7834 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7835 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7836 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7837 automatically once it is no longer referenced.
7838
7839 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7840 the string members:
7841
7842 @example
7843 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7844 @{
7845     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7846     int cmpval = str.compare(o.str);
7847     if (cmpval == 0)
7848         return 0;
7849     else if (cmpval < 0)
7850         return -1;
7851     else
7852         return 1;
7853 @}
7854 @end example
7855
7856 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7857 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7858 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7859 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7860 all relevant member variables.
7861
7862 Now the only thing missing is our two new constructors:
7863
7864 @example
7865 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7866 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7867 @end example
7868
7869 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7870 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7871
7872 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7873 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7874
7875 @example
7876 ex e = mystring("Hello, world!");
7877 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7878  // -> 1 (true)
7879
7880 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7881  // -> mystring
7882 @end example
7883
7884 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7885
7886 @example
7887 cout << e << endl;
7888  // -> [mystring object]
7889 @end example
7890
7891 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7892 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7893 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7894 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7895 surrounded by double quotes:
7896
7897 @example
7898 class mystring : public basic
7899 @{
7900     ...
7901 protected:
7902     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7903     ...
7904 @};
7905
7906 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7907 @{
7908     // print_context::s is a reference to an ostream
7909     c.s << '\"' << str << '\"';
7910 @}
7911 @end example
7912
7913 The @code{level} argument is only required for container classes to
7914 correctly parenthesize the output.
7915
7916 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7917 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7918 replace the line
7919
7920 @example
7921 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7922 @end example
7923
7924 with
7925
7926 @example
7927 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7928   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7929 @end example
7930
7931 Let's try again to print the expression:
7932
7933 @example
7934 cout << e << endl;
7935  // -> "Hello, world!"
7936 @end example
7937
7938 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7939 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7940 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7941 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7942 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7943 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7944 way expression output is implemented in GiNaC.
7945
7946 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7947
7948 @example
7949 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7950 cout << e << endl;
7951  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7952 @end example
7953
7954 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7955
7956 @example
7957 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7958 cout << e << endl;
7959  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7960 @end example
7961
7962 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7963 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7964 for your objects.
7965
7966 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7967
7968 @example
7969 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7970 cout << e << endl;
7971  // -> "Wow"^2
7972
7973 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7974 cout << e.expand() << endl;
7975  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7976 @end example
7977
7978 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7979 concatenation. You would have to implement this yourself.
7980
7981 @subsection Automatic evaluation
7982
7983 @cindex evaluation
7984 @cindex @code{eval()}
7985 @cindex @code{hold()}
7986 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7987 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7988 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7989 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7990 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7991 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7992
7993 @example
7994 class mystring : public basic
7995 @{
7996     ...
7997 public:
7998     ex eval(int level = 0) const;
7999     ...
8000 @};
8001
8002 ex mystring::eval(int level) const
8003 @{
8004     string new_str;
8005     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
8006         char c = str[i];
8007         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8008             new_str += tolower(c);
8009         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8010             new_str += c;
8011     @}
8012
8013     if (new_str.length() == 0)
8014         return 0;
8015     else
8016         return mystring(new_str).hold();
8017 @}
8018 @end example
8019
8020 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8021 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8022 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8023 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8024 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8025 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8026 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8027 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8028
8029 Let's confirm that it works:
8030
8031 @example
8032 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8033 cout << e << endl;
8034  // -> "helloworld"
8035
8036 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8037 cout << e << endl;
8038  // -> 3*"wow"
8039 @end example
8040
8041 @subsection Optional member functions
8042
8043 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8044 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8045 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8046
8047 @cindex @code{calchash()}
8048 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8049 @example
8050 unsigned calchash() const;
8051 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8052 @end example
8053
8054 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8055 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8056 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8057 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8058 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8059 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8060
8061 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8062 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8063 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8064 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8065
8066 @subsection Other member functions
8067
8068 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8069 might want to provide:
8070
8071 @example
8072 bool info(unsigned inf) const;
8073 ex evalf(int level = 0) const;
8074 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8075 ex derivative(const symbol & s) const;
8076 @end example
8077
8078 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8079 previous section) you will probably want to override
8080
8081 @cindex @code{let_op()}
8082 @example
8083 size_t nops() cont;
8084 ex op(size_t i) const;
8085 ex & let_op(size_t i);
8086 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8087 ex map(map_function & f) const;
8088 @end example
8089
8090 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8091 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8092 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8093
8094 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8095 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8096 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8097 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8098 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8099 should become a need.
8100
8101 That's it. May the source be with you!
8102
8103
8104 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8105 @c    node-name, next, previous, up
8106 @chapter A Comparison With Other CAS
8107 @cindex advocacy
8108
8109 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8110 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8111 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8112 disadvantages over these systems.
8113
8114 @menu
8115 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8116 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8117 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8118 @end menu
8119
8120 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8121 @c    node-name, next, previous, up
8122 @section Advantages
8123
8124 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8125 Algebra Systems, like 
8126
8127 @itemize @bullet
8128
8129 @item
8130 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8131 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8132 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8133 in common C++, which is standardized.
8134
8135 @cindex STL
8136 @item
8137 structured data types: you can build up structured data types using
8138 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8139 using unnamed lists of lists of lists.
8140
8141 @item
8142 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8143 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8144 nice for novice programmers, but dangerous.
8145     
8146 @item
8147 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8148 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8149 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8150
8151 @item
8152 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8153 separating interface and implementation.
8154
8155 @item
8156 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8157 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8158 C++-compilers for free, too.
8159     
8160 @item
8161 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8162 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8163 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8164 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8165 fix bugs in a traditional system.
8166
8167 @item
8168 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8169 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8170 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8171 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8172 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8173 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8174 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8175 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8176 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8177 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8178 FTP-site.
8179
8180 @item
8181 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8182 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8183 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8184 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8185 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8186 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8187 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8188 system (i.e. @emph{Yacas}).
8189
8190 @item
8191 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8192 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8193 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8194 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8195 speed with other CAS.
8196
8197 @end itemize
8198
8199
8200 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8201 @c    node-name, next, previous, up
8202 @section Disadvantages
8203
8204 Of course it also has some disadvantages:
8205
8206 @itemize @bullet
8207
8208 @item
8209 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8210 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8211 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8212 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8213 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8214 not planned for the near future).
8215
8216 @item
8217 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8218 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8219 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8220 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8221 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8222 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8223 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8224 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8225 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8226 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8227 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8228 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8229 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8230 yet ANSI compliant, support all needed features.
8231     
8232 @end itemize
8233
8234
8235 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8236 @c    node-name, next, previous, up
8237 @section Why C++?
8238
8239 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8240 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8241 possible), separation between interface and implementation is not
8242 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8243 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8244 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8245 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8246 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8247 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8248 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8249 any other programming language.
8250
8251
8252 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8253 @c    node-name, next, previous, up
8254 @appendix Internal structures
8255
8256 @menu
8257 * Expressions are reference counted::
8258 * Internal representation of products and sums::
8259 @end menu
8260
8261 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8262 @c    node-name, next, previous, up
8263 @appendixsection Expressions are reference counted
8264
8265 @cindex reference counting
8266 @cindex copy-on-write
8267 @cindex garbage collection
8268 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8269 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8270 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8271 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8272 skip the rest of this passage.
8273
8274 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8275 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8276 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8277 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8278 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8279 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8280 of code:
8281
8282 @example
8283 #include <iostream>
8284 #include <ginac/ginac.h>
8285 using namespace std;
8286 using namespace GiNaC;
8287
8288 int main()
8289 @{
8290     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8291     ex e1, e2;
8292
8293     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8294     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8295     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8296     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8297     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8298 @}
8299 @end example
8300
8301 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8302 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8303 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8304 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8305 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8306 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8307 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8308 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8309 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8310 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8311 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8312 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8313 can be:
8314
8315 @example
8316 @{
8317     symbol x("x"), y("y");
8318
8319     ex e1 = x + 3*y;
8320     ex e2 = pow(e1, 3);
8321     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8322     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8323          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8324          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8325 @}
8326 @end example
8327
8328 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8329 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8330 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8331 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8332 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8333 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8334 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8335 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8336 @code{3*e1^2}.
8337
8338 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8339 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8340 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8341 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8342 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8343 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8344 semantics, we recommend you have a look at the
8345 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8346 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8347 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8348
8349
8350 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8351 @c    node-name, next, previous, up
8352 @appendixsection Internal representation of products and sums
8353
8354 @cindex representation
8355 @cindex @code{add}
8356 @cindex @code{mul}
8357 @cindex @code{power}
8358 Although it should be completely transparent for the user of
8359 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8360 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8361 unexpanded symbolic expression 
8362 @tex
8363 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8364 @end tex
8365 @ifnottex
8366 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8367 @end ifnottex
8368 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8369 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8370 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8371 fashion:
8372
8373 @image{repnaive}
8374
8375 @cindex pair-wise representation
8376 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8377 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8378 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8379 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8380 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8381 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8382 becomes much more flat:
8383
8384 @image{reppair}
8385
8386 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8387 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8388 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8389 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8390 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8391 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8392 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8393 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8394 representation, however, since they are still carrying a trivial
8395 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8396 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8397 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8398 representation for
8399 @tex
8400 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8401 @end tex
8402 @ifnottex
8403 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8404 @end ifnottex
8405
8406 @image{repreal}
8407
8408 @cindex radical
8409 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8410 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8411 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8412 same abstract class: the data representation is the same, only the
8413 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8414 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8415 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8416
8417
8418 @node Package tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8419 @c    node-name, next, previous, up
8420 @appendix Package tools
8421
8422 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8423 setting the correct command line options for the compiler and linker
8424 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8425
8426 @menu
8427 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8428 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8429 @end menu
8430
8431
8432 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package tools, Package tools
8433 @c    node-name, next, previous, up
8434 @section @command{ginac-config}
8435 @cindex ginac-config
8436
8437 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8438 the compiler and linker command line options required to compile and
8439 link a program with the GiNaC library.
8440
8441 @command{ginac-config} takes the following flags:
8442
8443 @table @samp
8444 @item --version
8445 Prints out the version of GiNaC installed.
8446 @item --cppflags
8447 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8448 @item --libs
8449 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8450 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8451 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8452 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8453 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8454 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8455 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8456 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8457 @end table
8458
8459 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8460 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8461 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8462 example:
8463
8464 @example
8465 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8466 @end example
8467
8468 This command line might expand to (for example):
8469
8470 @example
8471 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8472   -lginac -lcln -lstdc++
8473 @end example
8474
8475 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8476 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8477
8478
8479 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package tools
8480 @c    node-name, next, previous, up
8481 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8482 @cindex AM_PATH_GINAC
8483
8484 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8485 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8486
8487 @example
8488 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8489               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8490 @end example
8491
8492 This macro:
8493
8494 @itemize @bullet
8495
8496 @item
8497 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8498 either found in the user's path, or from the environment variable
8499 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8500
8501 @item
8502 Tests the installed libraries to make sure that their version
8503 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8504 if not specified)
8505
8506 @item
8507 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8508 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8509 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8510 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8511 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8512
8513 @item
8514 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8515 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8516
8517 @end itemize
8518
8519 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8520 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8521 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8522 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8523 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8524
8525 @menu
8526 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8527 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8528 @end menu
8529
8530
8531 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8532 @c    node-name, next, previous, up
8533 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8534
8535 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8536 the configure script.
8537
8538 Notes:
8539
8540 @itemize @bullet
8541
8542 @item
8543 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8544 to be found by your system's dynamic linker.
8545   
8546 This is generally done by
8547
8548 @display
8549 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8550 @end display
8551
8552 or by
8553    
8554 @display
8555 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8556 @end display
8557
8558 or, as a last resort, 
8559  
8560 @display
8561 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8562 running configure, for instance:
8563
8564 @example
8565 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8566 @end example
8567 @end display
8568
8569 @item
8570 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8571 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8572 name of the executable
8573
8574 @item
8575 If you move the GiNaC package from its installed location,
8576 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8577 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8578
8579 @end itemize
8580
8581 Advanced note:
8582
8583 @itemize @bullet
8584 @item
8585 configure flags
8586   
8587 @example
8588 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8589 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8590 @end example
8591
8592 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8593 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8594 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8595 @end itemize
8596
8597
8598 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8599 @c    node-name, next, previous, up
8600 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8601
8602 The following shows how to build a simple package using automake
8603 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8604
8605 @example
8606 #include <iostream>
8607 #include <ginac/ginac.h>
8608
8609 int main()
8610 @{
8611     GiNaC::symbol x("x");
8612     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8613     std::cout << "Derivative of " << a 
8614               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8615     return 0;
8616 @}
8617 @end example
8618
8619 You should first read the introductory portions of the automake
8620 Manual, if you are not already familiar with it.
8621
8622 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8623 configure script:
8624
8625 @example
8626 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8627 AC_INIT(simple.cpp)
8628 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8629
8630 AC_PROG_CXX
8631 AC_PROG_INSTALL
8632 AC_LANG_CPLUSPLUS
8633
8634 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8635   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8636   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8637 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8638
8639 AC_OUTPUT(Makefile)
8640 @end example
8641
8642 The only command in this which is not standard for automake
8643 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8644
8645 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8646 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8647 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8648 the error message `need to have GiNaC installed'
8649
8650 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8651
8652 @example
8653 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8654 bin_PROGRAMS = simple
8655 simple_SOURCES = simple.cpp
8656 @end example
8657
8658 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8659 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8660 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8661 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8662 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8663 adding the lines:
8664
8665 @example
8666 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8667 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8668 @end example
8669
8670 to the @file{Makefile.am}.
8671
8672 To try this example out, create a new directory and add the three
8673 files above to it.
8674
8675 Now execute the following commands:
8676
8677 @example
8678 $ automake --add-missing
8679 $ aclocal
8680 $ autoconf
8681 @end example
8682
8683 You now have a package that can be built in the normal fashion
8684
8685 @example
8686 $ ./configure
8687 $ make
8688 $ make install
8689 @end example
8690
8691
8692 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8693 @c    node-name, next, previous, up
8694 @appendix Bibliography
8695
8696 @itemize @minus{}
8697
8698 @item
8699 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8700
8701 @item
8702 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8703
8704 @item
8705 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8706
8707 @item
8708 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8709
8710 @item
8711 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8712 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8713
8714 @item
8715 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8716 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8717 Academic Press, London
8718
8719 @item
8720 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8721 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8722
8723 @item
8724 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8725 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8726
8727 @item
8728 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8729 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8730
8731 @item
8732 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8733
8734 @end itemize
8735
8736
8737 @node Concept index, , Bibliography, Top
8738 @c    node-name, next, previous, up
8739 @unnumbered Concept index
8740
8741 @printindex cp
8742
8743 @bye