]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Improved the pre-/postorder iterators: They visit the root node and are now
[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) 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2003 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{} 1999-2003 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 @end menu
689
690
691 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
692 @c    node-name, next, previous, up
693 @section Expressions
694 @cindex expression (class @code{ex})
695 @cindex @code{has()}
696
697 The most common class of objects a user deals with is the expression
698 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
699 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
700 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
701 little collection of valid expressions:
702
703 @example
704 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
705 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
706 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
707 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
708 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
709 @end example
710
711 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
712 contain other expressions thus creating a tree of expressions
713 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
714 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
715 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
716 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
717 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
718 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
719
720 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
721 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
722 @code{ex}.
723
724 @subsection Note: Expressions and STL containers
725
726 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
727 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
728 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
729 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
730
731 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
732 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
733 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
734 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
735 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
736
737 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
738 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
739
740 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
741 expressions.
742
743
744 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
745 @c    node-name, next, previous, up
746 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
747 @cindex evaluation
748
749 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
750 them and put them into a canonical form. Some examples:
751
752 @example
753 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
754 ex MyEx2 = x - x;        // 0
755 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
756 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
757 @end example
758
759 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
760 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
761
762 @itemize @bullet
763 @item
764 at most of complexity
765 @tex
766 $O(n\log n)$
767 @end tex
768 @ifnottex
769 @math{O(n log n)}
770 @end ifnottex
771 @item
772 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
773 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
774 @end itemize
775
776 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
777 behave in an entirely obvious way at first glance:
778
779 @itemize
780 @item
781 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
782 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
783 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
784 any other way easily guessable (it almost always depends on the number and
785 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
786 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
787 canonical form.
788 @item
789 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
790 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
791 example
792 @example
793 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
794 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
795 @end example
796 @end itemize
797
798 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
799 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
800 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
801 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
802 some immediate simplifications.
803
804 @cindex @code{eval()}
805 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
806
807 @example
808 ex ex::eval(int level = 0) const;
809 ex basic::eval(int level = 0) const;
810 @end example
811
812 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
813 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
814 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
815 re-evaluate their results.
816
817
818 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
819 @c    node-name, next, previous, up
820 @section Error handling
821 @cindex exceptions
822 @cindex @code{pole_error} (class)
823
824 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
825 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
826 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
827 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
828 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
829 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
830 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
831 at a singularity.
832
833 The @code{pole_error} class has a member function
834
835 @example
836 int pole_error::degree() const;
837 @end example
838
839 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
840 logarithmic or the order is undefined).
841
842 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
843 the main program even if you don't want to do any special error handling.
844 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
845 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
846 usually only aborts the program without giving any information what went
847 wrong.
848
849 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
850 exceptions generated by GiNaC:
851
852 @example
853 #include <iostream>
854 #include <stdexcept>
855 #include <ginac/ginac.h>
856 using namespace std;
857 using namespace GiNaC;
858
859 int main()
860 @{
861     try @{
862         ...
863         // code using GiNaC
864         ...
865     @} catch (exception &p) @{
866         cerr << p.what() << endl;
867         return 1;
868     @}
869     return 0;
870 @}
871 @end example
872
873
874 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
875 @c    node-name, next, previous, up
876 @section The Class Hierarchy
877
878 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
879 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
880 helpers) are internally derived from one abstract base class called
881 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
882 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
883 containers of expressions and so on.
884
885 @cindex container
886 @cindex atom
887 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
888 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
889 some of the relations among the classes:
890
891 @image{classhierarchy}
892
893 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
894 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
895 duplication if two or more classes derived from them share certain
896 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
897 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
898 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
899 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
900 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
901 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
902 are stored in the different classes:
903
904 @cartouche
905 @multitable @columnfractions .22 .78
906 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
907 @item @code{constant} @tab Constants like 
908 @tex
909 $\pi$
910 @end tex
911 @ifnottex
912 @math{Pi}
913 @end ifnottex
914 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
915 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
916 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
917 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
918 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
919 @tex
920 $\sqrt{2}$
921 @end tex
922 @ifnottex
923 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
924 @end ifnottex
925 @dots{}
926 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
927 @item @code{function} @tab A symbolic function like
928 @tex
929 $\sin 2x$
930 @end tex
931 @ifnottex
932 @math{sin(2*x)}
933 @end ifnottex
934 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
935 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
936 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
937 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
938 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
939 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
940 @item @code{varidx} @tab Index with variance
941 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
942 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
943 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
944 @end multitable
945 @end cartouche
946
947
948 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
949 @c    node-name, next, previous, up
950 @section Symbols
951 @cindex @code{symbol} (class)
952 @cindex hierarchy of classes
953
954 @cindex atom
955 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
956 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
957 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
958 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
959 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
960 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
961 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
962 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
963 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
964 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
965 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
966 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
967 come across examples of such symbols later in this tutorial.
968
969 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
970 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
971 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
972 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
973 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
974 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
975 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
976 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
977 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
978 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
979
980 @cindex @code{subs()}
981 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
982 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
983 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
984 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
985
986
987 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
988 @c    node-name, next, previous, up
989 @section Numbers
990 @cindex @code{numeric} (class)
991
992 @cindex GMP
993 @cindex CLN
994 @cindex rational
995 @cindex fraction
996 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
997 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
998 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
999 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1000 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1001 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1002 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1003 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1004 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1005 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1006 several useful things: First, it introduces the complex number field
1007 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1008 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1009 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1010 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1011 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1012 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1013 calculation of some useful constants.
1014
1015 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1016 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1017 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1018 integers, construction from C-float and construction from a string:
1019
1020 @example
1021 #include <iostream>
1022 #include <ginac/ginac.h>
1023 using namespace GiNaC;
1024
1025 int main()
1026 @{
1027     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1028     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1029     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1030     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1031     // Trott's constant in scientific notation:
1032     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1033     
1034     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1035     ...
1036 @end example
1037
1038 @cindex @code{I}
1039 @cindex complex numbers
1040 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1041 name @code{I}:
1042
1043 @example
1044     ...
1045     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1046     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1047 @}
1048 @end example
1049
1050 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1051 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1052 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1053 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1054 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1055 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1056 also.
1057
1058 @cindex @code{Digits}
1059 @cindex accuracy
1060 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1061 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1062 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1063 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1064 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1065 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1066 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1067 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1068 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1069 digits:
1070
1071 @example
1072 #include <iostream>
1073 #include <ginac/ginac.h>
1074 using namespace std;
1075 using namespace GiNaC;
1076
1077 void foo()
1078 @{
1079     numeric three(3.0), one(1.0);
1080     numeric x = one/three;
1081
1082     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1083     cout << x << endl;
1084     cout << Pi.evalf() << endl;
1085 @}
1086
1087 int main()
1088 @{
1089     foo();
1090     Digits = 60;
1091     foo();
1092     return 0;
1093 @}
1094 @end example
1095
1096 The above example prints the following output to screen:
1097
1098 @example
1099 in 17 digits:
1100 0.33333333333333333334
1101 3.1415926535897932385
1102 in 60 digits:
1103 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1104 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1105 @end example
1106
1107 @cindex rounding
1108 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1109 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1110 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1111 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1112 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1113 architectures with different word size, the above output might even
1114 differ with regard to actually computed digits.
1115
1116 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1117 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1118 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1119
1120 @subsection Tests on numbers
1121
1122 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1123 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1124 kind of information from them like asking whether that number is
1125 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1126 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1127 certain CLN functions.)
1128
1129 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1130 some multiple of its denominator and test what comes out:
1131
1132 @example
1133 #include <iostream>
1134 #include <ginac/ginac.h>
1135 using namespace std;
1136 using namespace GiNaC;
1137
1138 // some very important constants:
1139 const numeric twentyone(21);
1140 const numeric ten(10);
1141 const numeric five(5);
1142
1143 int main()
1144 @{
1145     numeric answer = twentyone;
1146
1147     answer /= five;
1148     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1149     answer *= ten;
1150     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1151 @}
1152 @end example
1153
1154 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1155 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1156 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1157 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1158 the result is automatically converted to a pure integer again.
1159 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1160 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1161 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1162 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1163 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1164 can be applied is listed in the following table.
1165
1166 @cartouche
1167 @multitable @columnfractions .30 .70
1168 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1169 @item @code{.is_zero()}
1170 @tab @dots{}equal to zero
1171 @item @code{.is_positive()}
1172 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1173 @item @code{.is_integer()}
1174 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1175 @item @code{.is_pos_integer()}
1176 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1177 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1178 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1179 @item @code{.is_even()}
1180 @tab @dots{}an even integer
1181 @item @code{.is_odd()}
1182 @tab @dots{}an odd integer
1183 @item @code{.is_prime()}
1184 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1185 @item @code{.is_rational()}
1186 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1187 @item @code{.is_real()}
1188 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1189 @item @code{.is_cinteger()}
1190 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1191 @item @code{.is_crational()}
1192 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1193 @end multitable
1194 @end cartouche
1195
1196 @subsection Converting numbers
1197
1198 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1199 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1200 class provides a couple of methods for this purpose:
1201
1202 @cindex @code{to_int()}
1203 @cindex @code{to_long()}
1204 @cindex @code{to_double()}
1205 @cindex @code{to_cl_N()}
1206 @example
1207 int numeric::to_int() const;
1208 long numeric::to_long() const;
1209 double numeric::to_double() const;
1210 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1211 @end example
1212
1213 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1214 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1215 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1216 rational number will return a floating-point approximation. Both
1217 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1218 part of complex numbers.
1219
1220
1221 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1222 @c    node-name, next, previous, up
1223 @section Constants
1224 @cindex @code{constant} (class)
1225
1226 @cindex @code{Pi}
1227 @cindex @code{Catalan}
1228 @cindex @code{Euler}
1229 @cindex @code{evalf()}
1230 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1231 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1232
1233 The predefined known constants are:
1234
1235 @cartouche
1236 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1237 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1238 @item @code{Pi}
1239 @tab Archimedes' constant
1240 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1241 @item @code{Catalan}
1242 @tab Catalan's constant
1243 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1244 @item @code{Euler}
1245 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1246 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1247 @end multitable
1248 @end cartouche
1249
1250
1251 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1252 @c    node-name, next, previous, up
1253 @section Sums, products and powers
1254 @cindex polynomial
1255 @cindex @code{add}
1256 @cindex @code{mul}
1257 @cindex @code{power}
1258
1259 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1260 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1261 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1262 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1263 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1264 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1265 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1266 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1267
1268 @example
1269     ...
1270     symbol a("a"), b("b");
1271     ex MyTerm = 1+a*b;
1272     ...
1273 @end example
1274
1275 @cindex @code{pow()}
1276 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1277 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1278 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1279 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1280 have several counterintuitive and undesired effects:
1281
1282 @itemize @bullet
1283 @item
1284 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1285 @item
1286 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1287 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1288 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1289 @item
1290 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1291 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1292 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1293 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1294 has requested @code{2^3}.)
1295 @end itemize
1296
1297 @cindex @command{ginsh}
1298 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1299 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1300 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1301 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1302 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1303 not exist at all in C++).
1304
1305 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1306 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1307 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1308 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1309 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1310 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1311 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1312 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1313 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1314 @code{x} negative.
1315
1316 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1317 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1318 and safe simplifications are carried out like transforming
1319 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1320
1321
1322 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1323 @c    node-name, next, previous, up
1324 @section Lists of expressions
1325 @cindex @code{lst} (class)
1326 @cindex lists
1327 @cindex @code{nops()}
1328 @cindex @code{op()}
1329 @cindex @code{append()}
1330 @cindex @code{prepend()}
1331 @cindex @code{remove_first()}
1332 @cindex @code{remove_last()}
1333 @cindex @code{remove_all()}
1334
1335 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1336 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1337 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1338 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1339 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1340
1341 Lists of up to 16 expressions can be directly constructed from single
1342 expressions:
1343
1344 @example
1345 @{
1346     symbol x("x"), y("y");
1347     lst l(x, 2, y, x+y);
1348     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1349     ...
1350 @end example
1351
1352 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1353 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1354 individual elements:
1355
1356 @example
1357     ...
1358     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1359     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1360     ...
1361 @end example
1362
1363 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1364 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1365 sequential access to the elements of a list is possible with the
1366 iterator types provided by the @code{lst} class:
1367
1368 @example
1369 typedef ... lst::const_iterator;
1370 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1371 lst::const_iterator lst::begin() const;
1372 lst::const_iterator lst::end() const;
1373 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1374 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1375 @end example
1376
1377 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1378
1379 @example
1380     ...
1381     // O(N)
1382     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1383         cout << *i << endl;
1384     ...
1385 @end example
1386
1387 which is one order faster than
1388
1389 @example
1390     ...
1391     // O(N^2)
1392     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1393         cout << l.op(i) << endl;
1394     ...
1395 @end example
1396
1397 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1398 the C++ standard library:
1399
1400 @example
1401     ...
1402     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1403     copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1404
1405     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1406     ex sum = accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1407     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1408     ...
1409 @end example
1410
1411 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1412 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1413
1414 @example
1415     ...
1416     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1417     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1418     ...
1419 @end example
1420
1421 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1422 and @code{prepend()} methods:
1423
1424 @example
1425     ...
1426     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1427     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1428     ...
1429 @end example
1430
1431 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1432 and @code{remove_last()}:
1433
1434 @example
1435     ...
1436     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1437     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1438     ...
1439 @end example
1440
1441 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1442
1443 @example
1444     ...
1445     l.remove_all();     // l is now empty
1446     ...
1447 @end example
1448
1449 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1450
1451 @example
1452     ...
1453     lst l1(x, 2, y, x+y);
1454     lst l2(2, x+y, x, y);
1455     l1.sort();
1456     l2.sort();
1457     // l1 and l2 are now equal
1458     ...
1459 @end example
1460
1461 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1462 elements with @code{unique()}:
1463
1464 @example
1465     ...
1466     lst l3(x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x);
1467     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1468 @}
1469 @end example
1470
1471
1472 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1473 @c    node-name, next, previous, up
1474 @section Mathematical functions
1475 @cindex @code{function} (class)
1476 @cindex trigonometric function
1477 @cindex hyperbolic function
1478
1479 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1480 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1481 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1482
1483 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1484 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1485 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1486 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1487 the next example, showing how a function returns itself twice and
1488 finally an expression that may be really useful:
1489
1490 @cindex Gamma function
1491 @cindex @code{subs()}
1492 @example
1493     ...
1494     symbol x("x"), y("y");    
1495     ex foo = x+y/2;
1496     cout << tgamma(foo) << endl;
1497      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1498     ex bar = foo.subs(y==1);
1499     cout << tgamma(bar) << endl;
1500      // -> tgamma(x+1/2)
1501     ex foobar = bar.subs(x==7);
1502     cout << tgamma(foobar) << endl;
1503      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1504     ...
1505 @end example
1506
1507 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1508 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1509 this.
1510
1511 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1512 functions, where the argument list is templated.  This means that
1513 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1514 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1515 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1516 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1517 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1518 point number of class @code{numeric} you should call
1519 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1520 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1521 wrapped inside an @code{ex}.
1522
1523
1524 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1525 @c    node-name, next, previous, up
1526 @section Relations
1527 @cindex @code{relational} (class)
1528
1529 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1530 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1531 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1532 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1533 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1534 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1535
1536 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1537 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1538 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1539 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1540 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1541 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1542 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1543 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1544 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1545 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1546 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1547 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1548 @code{expand()} must be called explicitly.
1549
1550
1551 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1552 @c    node-name, next, previous, up
1553 @section Matrices
1554 @cindex @code{matrix} (class)
1555
1556 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1557 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1558 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1559 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1560
1561 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1562 elements:
1563
1564 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1565 @cindex @code{diag_matrix()}
1566 @cindex @code{unit_matrix()}
1567 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1568 @example
1569 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1570 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1571 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1572 ex diag_matrix(const lst & l);
1573 ex unit_matrix(unsigned x);
1574 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1575 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1576 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1577 @end example
1578
1579 The first two functions are @code{matrix} constructors which create a matrix
1580 with @samp{r} rows and @samp{c} columns. The matrix elements can be
1581 initialized from a (flat) list of expressions @samp{l}. Otherwise they are
1582 all set to zero. The @code{lst_to_matrix()} function constructs a matrix
1583 from a list of lists, each list representing a matrix row. @code{diag_matrix()}
1584 constructs a diagonal matrix given the list of diagonal elements.
1585 @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r} by @samp{c})
1586 unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a matrix filled
1587 with newly generated symbols made of the specified base name and the
1588 position of each element in the matrix.
1589
1590 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1591 operator:
1592
1593 @example
1594 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1595 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1596 @end example
1597
1598 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1599 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1600 @samp{[]} is not available.
1601
1602 Here are a couple of examples of constructing matrices:
1603
1604 @example
1605 @{
1606     symbol a("a"), b("b");
1607
1608     matrix M(2, 2);
1609     M(0, 0) = a;
1610     M(1, 1) = b;
1611     cout << M << endl;
1612      // -> [[a,0],[0,b]]
1613
1614     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1615      // -> [[a,0],[0,b]]
1616
1617     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1618      // -> [[a,0],[0,b]]
1619
1620     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1621      // -> [[a,0],[0,b]]
1622
1623     cout << unit_matrix(3) << endl;
1624      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1625
1626     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1627      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1628 @}
1629 @end example
1630
1631 @cindex @code{transpose()}
1632 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1633 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1634
1635 @example
1636 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1637 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1638 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1639 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1640 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1641 matrix matrix::transpose() const;
1642 @end example
1643
1644 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1645 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1646 and @math{C}:
1647
1648 @example
1649 @{
1650     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4));
1651     matrix B(2, 2, lst(-1, 0, 2, 1));
1652     matrix C(2, 2, lst(8, 4, 2, 1));
1653
1654     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1655     cout << result << endl;
1656      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1657     ...
1658 @}
1659 @end example
1660
1661 @cindex @code{evalm()}
1662 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1663 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1664 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1665 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1666 method
1667
1668 @example
1669 ex ex::evalm() const;
1670 @end example
1671
1672 to obtain the result:
1673
1674 @example
1675 @{
1676     ...
1677     ex e = A*B - 2*C;
1678     cout << e << endl;
1679      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1680     cout << e.evalm() << endl;
1681      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1682     ...
1683 @}
1684 @end example
1685
1686 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1687 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1688 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1689 dealing with non-commutative expressions.
1690
1691 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1692 to perform the arithmetic:
1693
1694 @example
1695 @{
1696     ...
1697     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1698     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1699     cout << e << endl;
1700      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1701     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1702      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1703 @}
1704 @end example
1705
1706 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1707 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1708 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1709 more information about using matrices with indices, and about indices in
1710 general.
1711
1712 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1713 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1714
1715 @cindex @code{determinant()}
1716 @cindex @code{trace()}
1717 @cindex @code{charpoly()}
1718 @example
1719 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
1720 ex matrix::trace() const;
1721 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
1722 @end example
1723
1724 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
1725 between different algorithms for calculating the determinant.  The
1726 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
1727 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
1728 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
1729 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
1730 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
1731 quickly.
1732
1733 @cindex @code{inverse()}
1734 @cindex @code{solve()}
1735 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
1736 method and linear systems may be solved with:
1737
1738 @example
1739 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
1740 @end example
1741
1742 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
1743 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
1744 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
1745 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
1746 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
1747 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
1748 overdetermined, an exception is thrown.
1749
1750
1751 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1752 @c    node-name, next, previous, up
1753 @section Indexed objects
1754
1755 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1756 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1757 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1758 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1759
1760 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1761 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1762 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1763 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1764
1765 @cindex @code{idx} (class)
1766 @cindex @code{indexed} (class)
1767 @subsection Indexed quantities and their indices
1768
1769 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1770 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1771
1772 @itemize @bullet
1773
1774 @cindex contravariant
1775 @cindex covariant
1776 @cindex variance
1777 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1778 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1779 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1780 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1781 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1782 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1783
1784 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1785 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1786 one or more indices.
1787
1788 @end itemize
1789
1790 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1791 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1792 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1793 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1794 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1795 not visible in the output.
1796
1797 A simple example shall illustrate the concepts:
1798
1799 @example
1800 #include <iostream>
1801 #include <ginac/ginac.h>
1802 using namespace std;
1803 using namespace GiNaC;
1804
1805 int main()
1806 @{
1807     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1808     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1809
1810     symbol A("A");
1811     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1812      // -> A.i.j
1813     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
1814      // -> A.i[3].j[3]
1815     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
1816     ...
1817 @end example
1818
1819 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1820 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1821 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1822 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1823 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1824 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1825 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1826 @code{j}.
1827
1828 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
1829 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
1830 as shown above.
1831
1832 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1833 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1834 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1835 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1836 correct and will raise an exception:
1837
1838 @example
1839 symbol i("i"), j("j");
1840 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1841 @end example
1842
1843 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1844 be numeric, and index dimensions symbolic:
1845
1846 @example
1847     ...
1848     symbol B("B"), dim("dim");
1849     cout << 4 * indexed(A, i)
1850           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1851      // -> B.j.2.i+4*A.i
1852     ...
1853 @end example
1854
1855 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1856 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1857 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1858 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1859 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1860
1861 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1862 arbitrary expressions:
1863
1864 @example
1865     ...
1866     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1867      // -> (B+A).(1+2*i)
1868     ...
1869 @end example
1870
1871 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1872 get an error message from this but you will probably not be able to do
1873 anything useful with it.
1874
1875 @cindex @code{get_value()}
1876 @cindex @code{get_dimension()}
1877 The methods
1878
1879 @example
1880 ex idx::get_value();
1881 ex idx::get_dimension();
1882 @end example
1883
1884 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1885 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1886 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1887 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1888
1889 There are also the methods
1890
1891 @example
1892 bool idx::is_numeric();
1893 bool idx::is_symbolic();
1894 bool idx::is_dim_numeric();
1895 bool idx::is_dim_symbolic();
1896 @end example
1897
1898 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1899 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1900 About Expressions}) returns information about the index value.
1901
1902 @cindex @code{varidx} (class)
1903 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1904
1905 @example
1906     ...
1907     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1908     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1909     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1910
1911     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1912      // -> A~mu~nu
1913     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1914      // -> A.mu~nu
1915     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1916      // -> A.mu~nu
1917     ...
1918 @end example
1919
1920 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1921 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1922 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1923 constructor. The two methods
1924
1925 @example
1926 bool varidx::is_covariant();
1927 bool varidx::is_contravariant();
1928 @end example
1929
1930 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1931 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1932 method
1933
1934 @example
1935 ex varidx::toggle_variance();
1936 @end example
1937
1938 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1939 variance. By using it you only have to define the index once.
1940
1941 @cindex @code{spinidx} (class)
1942 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1943 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1944
1945 @example
1946     ...
1947     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1948     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1949                                             // contravariant, undotted
1950     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1951     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1952     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1953
1954     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1955      // -> K~C~D
1956     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
1957      // -> K.C~*D
1958     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
1959      // -> K.*D~D
1960     ...
1961 @end example
1962
1963 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
1964 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
1965 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
1966 methods
1967
1968 @example
1969 bool spinidx::is_dotted();
1970 bool spinidx::is_undotted();
1971 @end example
1972
1973 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
1974 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
1975 Finally, the two methods
1976
1977 @example
1978 ex spinidx::toggle_dot();
1979 ex spinidx::toggle_variance_dot();
1980 @end example
1981
1982 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
1983 and the same or opposite variance.
1984
1985 @subsection Substituting indices
1986
1987 @cindex @code{subs()}
1988 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
1989 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
1990 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
1991 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
1992
1993 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
1994 by another index or expression:
1995
1996 @example
1997     ...
1998     ex e = indexed(A, mu_co);
1999     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2000      // -> A.mu becomes A~nu
2001     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2002      // -> A.mu becomes A~0
2003     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2004      // -> A.mu becomes A.0
2005     ...
2006 @end example
2007
2008 The third example shows that trying to replace an index with something that
2009 is not an index will substitute the index value instead.
2010
2011 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2012 another expression:
2013
2014 @example
2015     ...
2016     ex e = indexed(A, mu_co);
2017     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2018      // -> A.mu becomes A.nu
2019     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2020      // -> A.mu becomes A.0
2021     ...
2022 @end example
2023
2024 As you see, with the second method only the value of the index will get
2025 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2026 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2027 whole index by another one with the new dimension.
2028
2029 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2030 expected:
2031
2032 @example
2033     ...
2034     ex e = indexed(A, mu_co);
2035     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2036      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2037     ...
2038 @end example
2039
2040 @subsection Symmetries
2041 @cindex @code{symmetry} (class)
2042 @cindex @code{sy_none()}
2043 @cindex @code{sy_symm()}
2044 @cindex @code{sy_anti()}
2045 @cindex @code{sy_cycl()}
2046
2047 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2048 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2049 that is constructed with the helper functions
2050
2051 @example
2052 symmetry sy_none(...);
2053 symmetry sy_symm(...);
2054 symmetry sy_anti(...);
2055 symmetry sy_cycl(...);
2056 @end example
2057
2058 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2059 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2060 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2061 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2062 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2063 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2064 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2065 all indices.
2066
2067 Here are some examples of symmetry definitions:
2068
2069 @example
2070     ...
2071     // No symmetry:
2072     e = indexed(A, i, j);
2073     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2074     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2075
2076     // Symmetric in all three indices:
2077     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2078     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2079     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2080                                                // different canonical order
2081
2082     // Symmetric in the first two indices only:
2083     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2084     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2085
2086     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2087     // be contiguous):
2088     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2089     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2090
2091     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2092     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2093     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2094     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2095
2096     // Cyclic symmetry in all three indices:
2097     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2098     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2099
2100     // The following examples are invalid constructions that will throw
2101     // an exception at run time.
2102
2103     // An index may not appear multiple times:
2104     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2105     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2106
2107     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2108     // same number of indices:
2109     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2110
2111     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2112     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2113     ...
2114 @end example
2115
2116 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2117 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2118 full symmetry in the first six indices you would write
2119 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2120
2121 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2122 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2123
2124 @example
2125     ...
2126     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2127           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2128      // -> 2*A.j.i
2129     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2130           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2131      // -> 0
2132     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2133           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2134      // -> 0
2135     ...
2136 @end example
2137
2138 @cindex @code{get_free_indices()}
2139 @cindex dummy index
2140 @subsection Dummy indices
2141
2142 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2143 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2144 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2145 dummy nor free indices.
2146
2147 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2148 class and their value must be the same single symbol (an index like
2149 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2150 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2151 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2152
2153 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2154 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2155 of a sum are consistent:
2156
2157 @example
2158 @{
2159     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2160
2161     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2162     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2163
2164     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2165     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2166      // -> (.i,.k)
2167      // 'j' and 'l' are dummy indices
2168
2169     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2170     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2171
2172     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2173       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2174     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2175      // -> (~mu,~rho)
2176      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2177
2178     e = indexed(A, mu, mu);
2179     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2180      // -> (~mu)
2181      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2182      // variance
2183
2184     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2185     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2186      // this will throw an exception:
2187      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2188 @}
2189 @end example
2190
2191 @cindex @code{simplify_indexed()}
2192 @subsection Simplifying indexed expressions
2193
2194 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2195 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2196 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2197 there is the method
2198
2199 @example
2200 ex ex::simplify_indexed();
2201 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2202 @end example
2203
2204 that performs some more expensive operations:
2205
2206 @itemize
2207 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2208   @code{get_free_indices()} does
2209 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2210   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2211 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2212   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2213   next section)
2214 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2215   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2216 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2217   of two tensors with a user-defined value
2218 @end itemize
2219
2220 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2221 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2222 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2223
2224 @example
2225 @{
2226     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2227     idx i(i_sym, 3);
2228
2229     scalar_products sp;
2230     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2231     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2232     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2233
2234     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2235     cout << e << endl;
2236      // -> (B+A).i*(A+C).i
2237
2238     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2239          << endl;
2240      // -> 4+C.i*B.i
2241 @}
2242 @end example
2243
2244 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2245 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2246 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2247 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2248 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2249 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2250 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2251 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2252
2253 @cindex @code{expand()}
2254 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2255 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2256 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2257
2258 @cindex @code{tensor} (class)
2259 @subsection Predefined tensors
2260
2261 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2262 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2263 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2264 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2265 indices are specified).
2266
2267 @cindex @code{delta_tensor()}
2268 @subsubsection Delta tensor
2269
2270 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2271 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2272 @code{delta_tensor()}:
2273
2274 @example
2275 @{
2276     symbol A("A"), B("B");
2277
2278     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2279         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2280
2281     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2282          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2283     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2284      // -> B.i.j*A.i.j
2285
2286     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2287      // -> 3
2288 @}
2289 @end example
2290
2291 @cindex @code{metric_tensor()}
2292 @subsubsection General metric tensor
2293
2294 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2295 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2296 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2297 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2298
2299 @example
2300 @{
2301     symbol A("A");
2302
2303     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2304
2305     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2306     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2307      // -> A~mu~rho
2308
2309     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2310     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2311      // -> g~mu~rho
2312
2313     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2314       * metric_tensor(nu, rho);
2315     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2316      // -> delta.mu~rho
2317
2318     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2319       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2320         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2321     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2322      // -> 4+A.rho~rho
2323 @}
2324 @end example
2325
2326 @cindex @code{lorentz_g()}
2327 @subsubsection Minkowski metric tensor
2328
2329 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2330 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2331 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2332 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2333 @samp{eta}):
2334
2335 @example
2336 @{
2337     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2338
2339     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2340       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2341     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2342      // -> 1
2343
2344     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2345       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2346     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2347      // -> -1
2348 @}
2349 @end example
2350
2351 @cindex @code{spinor_metric()}
2352 @subsubsection Spinor metric tensor
2353
2354 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2355 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2356 It is output as @samp{eps}:
2357
2358 @example
2359 @{
2360     symbol psi("psi");
2361
2362     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2363     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2364
2365     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2366     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2367      // -> psi~A
2368
2369     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2370     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2371      // -> -psi~B
2372
2373     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2374     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2375      // -> -psi.A
2376
2377     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2378     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2379      // -> psi.B
2380
2381     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2382     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2383      // -> 2
2384
2385     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2386     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2387      // -> -delta.A~C
2388 @}
2389 @end example
2390
2391 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2392
2393 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2394 @cindex @code{lorentz_eps()}
2395 @subsubsection Epsilon tensor
2396
2397 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2398 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2399 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2400 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2401 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2402 @samp{eps}.
2403
2404 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2405 dimensions:
2406
2407 @example
2408 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2409 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2410 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2411 @end example
2412
2413 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2414 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2415 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2416 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2417 tensor):
2418
2419 @example
2420 @{
2421     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2422            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2423     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2424         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2425     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2426      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2427
2428     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2429     symbol A("A"), B("B");
2430     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2431     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2432      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2433     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2434     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2435      // -> 0
2436 @}
2437 @end example
2438
2439 @subsection Linear algebra
2440
2441 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2442 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2443 and scalar products):
2444
2445 @example
2446 @{
2447     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2448     symbol x("x"), y("y");
2449
2450     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2451     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4)), X(2, 1, lst(x, y));
2452
2453     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2454      // -> 5
2455
2456     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2457     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2458      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2459
2460     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2461     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2462      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2463 @}
2464 @end example
2465
2466 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2467 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2468 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2469
2470 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2471 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2472 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2473 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2474
2475 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2476 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2477 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2478 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2479 of the metric tensor.
2480
2481
2482 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2483 @c    node-name, next, previous, up
2484 @section Non-commutative objects
2485
2486 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2487 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2488 physics:
2489
2490 @itemize
2491 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2492 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2493 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2494 @end itemize
2495
2496 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2497 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2498 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2499 @ref{Matrices}.
2500
2501 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2502 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2503 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2504 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2505 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2506 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2507 by their class. Consider this example:
2508
2509 @example
2510     ...
2511     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2512     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2513     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2514     cout << e << endl;
2515      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2516     ...
2517 @end example
2518
2519 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2520 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2521 together while preserving the order of factors within each class (because
2522 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2523 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2524 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2525 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2526
2527 @cindex @code{ncmul} (class)
2528 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2529 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2530 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2531 though.
2532
2533 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2534 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2535 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2536 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2537 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2538 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2539 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2540 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2541 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2542 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2543
2544 @cindex @code{return_type()}
2545 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2546 Information about the commutativity of an object or expression can be
2547 obtained with the two member functions
2548
2549 @example
2550 unsigned ex::return_type() const;
2551 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2552 @end example
2553
2554 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2555 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2556 expressions in GiNaC:
2557
2558 @itemize
2559 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2560   classes are of this kind.
2561 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2562   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2563   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2564   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2565   class.
2566 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2567   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2568   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2569   @code{noncommutative_composite} expressions.
2570 @end itemize
2571
2572 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2573 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2574 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2575 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2576
2577 Here are a couple of examples:
2578
2579 @cartouche
2580 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2581 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2582 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2583 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2584 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2585 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2586 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2587 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2588 @end multitable
2589 @end cartouche
2590
2591 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2592 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2593 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2594 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2595 for color objects.
2596
2597 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2598 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2599 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2600 non-commutative expressions).
2601
2602
2603 @cindex @code{clifford} (class)
2604 @subsection Clifford algebra
2605
2606 @cindex @code{dirac_gamma()}
2607 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2608 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2609 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2610 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2611
2612 @example
2613 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2614 @end example
2615
2616 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2617 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2618 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2619 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2620 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2621 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2622
2623 @cindex @code{dirac_ONE()}
2624 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2625
2626 @example
2627 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2628 @end example
2629
2630 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2631 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2632 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2633 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2634 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2635
2636 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2637 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2638 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2639 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2640
2641 @example
2642 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2643 @end example
2644
2645 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2646 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2647 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2648 objects, constructed by
2649
2650 @example
2651 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2652 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2653 @end example
2654
2655 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2656 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2657
2658 @cindex @code{dirac_slash()}
2659 Finally, the function
2660
2661 @example
2662 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2663 @end example
2664
2665 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2666 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2667 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2668 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2669
2670 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2671 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2672 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2673
2674 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2675 for example
2676
2677 @example
2678 @{
2679     ...
2680     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2681     varidx mu(symbol("mu"), D);
2682     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2683          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2684     cout << e << endl;
2685      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2686     e = e.simplify_indexed();
2687     cout << e << endl;
2688      // -> -D*a\+2*a\
2689     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2690      // -> -2*a\
2691     ...
2692 @}
2693 @end example
2694
2695 @cindex @code{dirac_trace()}
2696 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2697 you use the function
2698
2699 @example
2700 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2701 @end example
2702
2703 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2704 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2705 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2706 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2707 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2708 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2709 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2710 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2711 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2712
2713 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2714 @math{D != 4} dimensions:
2715
2716 @example
2717 @{
2718     // 4 dimensions
2719     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2720     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2721            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2722     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2723      // -> -8*eta~rho~nu
2724 @}
2725 ...
2726 @{
2727     // D dimensions
2728     symbol D("D");
2729     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2730     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2731            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2732     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2733      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2734 @}
2735 @end example
2736
2737 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2738 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2739 QED:
2740
2741 @example
2742 @{
2743     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2744     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2745
2746     scalar_products sp;
2747     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2748     sp.add(l, q, ldotq);
2749
2750     ex e = dirac_gamma(mu) *
2751            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2752            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2753            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2754     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2755     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2756     cout << e << endl;
2757      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2758 @}
2759 @end example
2760
2761 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2762 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2763 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2764
2765 @example
2766 @{
2767     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2768     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2769     cout << e << endl;
2770      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2771
2772     e = canonicalize_clifford(e);
2773     cout << e << endl;
2774      // -> 2*eta~mu~nu
2775 @}
2776 @end example
2777
2778
2779 @cindex @code{color} (class)
2780 @subsection Color algebra
2781
2782 @cindex @code{color_T()}
2783 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2784 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2785 elements @math{T_a} are constructed by the function
2786
2787 @example
2788 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2789 @end example
2790
2791 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2792 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2793 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2794 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2795 not @code{varidx}.
2796
2797 @cindex @code{color_ONE()}
2798 The unity element of a color algebra is constructed by
2799
2800 @example
2801 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2802 @end example
2803
2804 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2805 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2806 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2807 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2808 GiNaC may produce incorrect results.
2809
2810 @cindex @code{color_d()}
2811 @cindex @code{color_f()}
2812 The functions
2813
2814 @example
2815 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2816 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2817 @end example
2818
2819 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2820 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2821 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2822
2823 @cindex @code{color_h()}
2824 There's an additional function
2825
2826 @example
2827 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2828 @end example
2829
2830 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2831
2832 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2833 expressions containing color objects:
2834
2835 @example
2836 @{
2837     ...
2838     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2839         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2840
2841     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2842     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2843      // -> 0
2844
2845     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2846     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2847      // -> 5/3*delta.k.l
2848
2849     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2850     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2851      // -> 3*delta.k.l
2852
2853     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2854     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2855      // -> -32/3
2856
2857     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2858     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2859      // -> -2/3*T.a
2860
2861     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2862     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2863      // -> -8/9*ONE
2864
2865     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2866     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2867      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2868     ...
2869 @end example
2870
2871 @cindex @code{color_trace()}
2872 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2873 function
2874
2875 @example
2876 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2877 @end example
2878
2879 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2880 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2881 standing. For example:
2882
2883 @example
2884     ...
2885     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2886     cout << e << endl;
2887      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2888 @}
2889 @end example
2890
2891
2892 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2893 @c    node-name, next, previous, up
2894 @chapter Methods and Functions
2895 @cindex polynomial
2896
2897 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2898 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2899 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2900 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2901 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2902 example:
2903
2904 @example
2905     ...
2906     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2907     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2908     ...
2909 @end example
2910
2911 @cindex @code{subs()}
2912 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2913 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2914 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2915 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2916 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2917 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2918 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2919 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2920 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2921 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2922 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2923 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2924 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2925 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2926 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2927 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2928 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2929 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2930 avoided.
2931
2932 @menu
2933 * Information About Expressions::
2934 * Numerical Evaluation::
2935 * Substituting Expressions::
2936 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2937 * Applying a Function on Subexpressions::
2938 * Visitors and Tree Traversal::
2939 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2940 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2941 * Symbolic Differentiation::
2942 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2943 * Symmetrization::
2944 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2945 * Solving Linear Systems of Equations::
2946 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2947 @end menu
2948
2949
2950 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
2951 @c    node-name, next, previous, up
2952 @section Getting information about expressions
2953
2954 @subsection Checking expression types
2955 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
2956 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
2957 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
2958 @cindex Converting @code{ex} to other classes
2959 @cindex @code{info()}
2960 @cindex @code{return_type()}
2961 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2962
2963 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
2964 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
2965 GiNaC provides a couple of functions for this:
2966
2967 @example
2968 bool is_a<T>(const ex & e);
2969 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
2970 bool ex::info(unsigned flag);
2971 unsigned ex::return_type() const;
2972 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2973 @end example
2974
2975 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
2976 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
2977 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
2978 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
2979
2980 @example
2981 @{
2982     @dots{}
2983     if (is_a<numeric>(e))
2984         numeric n = ex_to<numeric>(e);
2985     @dots{}
2986 @}
2987 @end example
2988
2989 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
2990 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
2991 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
2992 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
2993
2994 @example
2995 @{
2996     symbol x("x");
2997     ex e1 = 42;
2998     ex e2 = 4*x - 3;
2999     is_a<numeric>(e1);  // true
3000     is_a<numeric>(e2);  // false
3001     is_a<add>(e1);      // false
3002     is_a<add>(e2);      // true
3003     is_a<mul>(e1);      // false
3004     is_a<mul>(e2);      // false
3005 @}
3006 @end example
3007
3008 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3009 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3010 class @samp{T}, not including parent classes.
3011
3012 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3013 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3014 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3015 table:
3016
3017 @cartouche
3018 @multitable @columnfractions .30 .70
3019 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3020 @item @code{numeric}
3021 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
3022 @item @code{real}
3023 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3024 @item @code{rational}
3025 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3026 @item @code{integer}
3027 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3028 @item @code{crational}
3029 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3030 @item @code{cinteger}
3031 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3032 @item @code{positive}
3033 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3034 @item @code{negative}
3035 @tab @dots{}not complex and less than 0
3036 @item @code{nonnegative}
3037 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3038 @item @code{posint}
3039 @tab @dots{}an integer greater than 0
3040 @item @code{negint}
3041 @tab @dots{}an integer less than 0
3042 @item @code{nonnegint}
3043 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3044 @item @code{even}
3045 @tab @dots{}an even integer
3046 @item @code{odd}
3047 @tab @dots{}an odd integer
3048 @item @code{prime}
3049 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3050 @item @code{relation}
3051 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3052 @item @code{relation_equal}
3053 @tab @dots{}a @code{==} relation
3054 @item @code{relation_not_equal}
3055 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3056 @item @code{relation_less}
3057 @tab @dots{}a @code{<} relation
3058 @item @code{relation_less_or_equal}
3059 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3060 @item @code{relation_greater}
3061 @tab @dots{}a @code{>} relation
3062 @item @code{relation_greater_or_equal}
3063 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3064 @item @code{symbol}
3065 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3066 @item @code{list}
3067 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3068 @item @code{polynomial}
3069 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3070 @item @code{integer_polynomial}
3071 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3072 @item @code{cinteger_polynomial}
3073 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3074 @item @code{rational_polynomial}
3075 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3076 @item @code{crational_polynomial}
3077 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3078 @item @code{rational_function}
3079 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3080 @item @code{algebraic}
3081 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3082 @end multitable
3083 @end cartouche
3084
3085 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3086 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3087 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3088 for an explanation of these.
3089
3090
3091 @subsection Accessing subexpressions
3092 @cindex @code{nops()}
3093 @cindex @code{op()}
3094 @cindex container
3095 @cindex @code{relational} (class)
3096
3097 GiNaC provides the two methods
3098
3099 @example
3100 size_t ex::nops();
3101 ex ex::op(size_t i);
3102 @end example
3103
3104 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
3105 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
3106 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
3107 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
3108 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
3109 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
3110 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
3111
3112 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
3113 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
3114
3115 @example
3116 ex ex::lhs();
3117 ex ex::rhs();
3118 @end example
3119
3120
3121 @subsection Comparing expressions
3122 @cindex @code{is_equal()}
3123 @cindex @code{is_zero()}
3124
3125 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3126 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3127 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3128 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3129 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3130 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3131 @code{false}.
3132
3133 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3134 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3135 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3136
3137 There are also two methods
3138
3139 @example
3140 bool ex::is_equal(const ex & other);
3141 bool ex::is_zero();
3142 @end example
3143
3144 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3145 respectively.
3146
3147
3148 @subsection Ordering expressions
3149 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3150 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3151 @cindex @code{compare()}
3152
3153 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3154 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3155 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3156 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3157
3158 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3159 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3160 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3161 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3162 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3163 yield @code{true}.
3164
3165 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3166 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3167 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3168 predicates to the STL:
3169
3170 @example
3171 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3172 public:
3173     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3174 @};
3175
3176 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3177 public:
3178     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3179 @};
3180 @end example
3181
3182 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3183 have to use
3184
3185 @example
3186 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3187 @end example
3188
3189 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3190 bugs because the map operates improperly.
3191
3192 Other examples for the use of the functors:
3193
3194 @example
3195 std::vector<ex> v;
3196 // fill vector
3197 ...
3198
3199 // sort vector
3200 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3201
3202 // count the number of expressions equal to '1'
3203 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3204                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3205 @end example
3206
3207 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3208
3209 @example
3210 int ex::compare(const ex & other) const;
3211 @end example
3212
3213 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3214 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3215 after @code{other}.
3216
3217
3218 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3219 @c    node-name, next, previous, up
3220 @section Numercial Evaluation
3221 @cindex @code{evalf()}
3222
3223 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3224 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3225
3226 @example
3227 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3228 @end example
3229
3230 @cindex @code{Digits}
3231 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3232 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3233 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3234
3235 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3236 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3237
3238 @example
3239 @{
3240     // Approximate sin(x/Pi)
3241     symbol x("x");
3242     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3243
3244     // Evaluate numerically at x=0.1
3245     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3246
3247     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3248     if (is_a<numeric>(f)) @{
3249         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3250         cout << d << endl;
3251          // -> 0.0318256
3252     @} else
3253         // error
3254 @}
3255 @end example
3256
3257
3258 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3259 @c    node-name, next, previous, up
3260 @section Substituting expressions
3261 @cindex @code{subs()}
3262
3263 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3264 expressions via the @code{.subs()} method:
3265
3266 @example
3267 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3268 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3269 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3270 @end example
3271
3272 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3273 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3274
3275 @example
3276 @{
3277     symbol x("x"), y("y");
3278
3279     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3280     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3281      // -> 73
3282
3283     ex e2 = x*y + x;
3284     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3285      // -> -10
3286 @}
3287 @end example
3288
3289 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3290 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3291
3292 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3293 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3294 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3295 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3296 be substituted is large or unknown.
3297
3298 Using this form, the second example from above would look like this:
3299
3300 @example
3301 @{
3302     symbol x("x"), y("y");
3303     ex e2 = x*y + x;
3304
3305     exmap m;
3306     m[x] = -2;
3307     m[y] = 4;
3308     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3309 @}
3310 @end example
3311
3312 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3313 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3314 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3315
3316 @example
3317 @{
3318     symbol x("x"), y("y");
3319     ex e2 = x*y + x;
3320
3321     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3322 @}
3323 @end example
3324
3325 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3326 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3327 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3328 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3329 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3330 algebraic substitutions in products and powers.
3331 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3332 about patterns and algebraic substitutions.
3333
3334 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3335 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3336 following example:
3337
3338 @example
3339 @{
3340     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3341
3342     ex e1 = pow(x+y, 2);
3343     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3344      // -> 16
3345
3346     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3347     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3348      // -> cos(x)^2*sin(y)
3349
3350     ex e3 = x+y+z;
3351     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3352      // -> x+y+z
3353      // (and not 4+z as one might expect)
3354 @}
3355 @end example
3356
3357 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3358 next section.
3359
3360
3361 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3362 @c    node-name, next, previous, up
3363 @section Pattern matching and advanced substitutions
3364 @cindex @code{wildcard} (class)
3365 @cindex Pattern matching
3366
3367 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3368 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3369 substituting expressions in a more general way.
3370
3371 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3372 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3373 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3374 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3375 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3376 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3377 with the call
3378
3379 @example
3380 ex wild(unsigned label = 0);
3381 @end example
3382
3383 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3384 name.
3385
3386 Some examples for patterns:
3387
3388 @multitable @columnfractions .5 .5
3389 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3390 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3391 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3392 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3393 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3394 @end multitable
3395
3396 Notes:
3397
3398 @itemize
3399 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3400   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3401 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3402   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3403   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3404 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3405   possible to use them as placeholders for other properties like index
3406   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3407   etc.
3408 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3409   as part of noncommutative products.
3410 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3411   are also valid patterns.
3412 @end itemize
3413
3414 @subsection Matching expressions
3415 @cindex @code{match()}
3416 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3417 matches a given pattern. This is done by the function
3418
3419 @example
3420 bool ex::match(const ex & pattern);
3421 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3422 @end example
3423
3424 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3425 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3426 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3427 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3428 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3429 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3430 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3431 expressions by passing in the result of a previous match.
3432
3433 The matching algorithm works as follows:
3434
3435 @itemize
3436 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3437   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3438   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3439   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3440 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3441   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3442   etc.).
3443 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3444   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3445 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3446   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3447   of the pattern.
3448 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3449   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3450 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3451   match the corresponding subexpression of the pattern.
3452 @end itemize
3453
3454 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3455 account for their commutativity and associativity:
3456
3457 @itemize
3458 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3459   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3460   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3461   way.
3462 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3463   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3464   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3465   further matches.
3466 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3467   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3468   which case this wildcard matches the remaining terms.
3469 @end itemize
3470
3471 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3472 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3473 ambiguous results.
3474
3475 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3476 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3477 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3478
3479 @example
3480 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3481 @{@}
3482 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3483 FAIL
3484 > match((x+y)^a,$1^$2);
3485 @{$1==x+y,$2==a@}
3486 > match((x+y)^a,$1^$1);
3487 FAIL
3488 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3489 @{$1==x+y@}
3490 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3491 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3492 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3493 @{$1==a@}
3494 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3495 @{$1==c,$2==b@}
3496   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3497 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3498   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3499    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3500    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3501    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3502    fail.)
3503 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3504   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3505    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3506 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3507 FAIL
3508 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3509 @{$0==a+e+b+f+d@}
3510 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3511 @{$0==a+b+f+d@}
3512 > match(a+b,a+b+$0);
3513 @{$0==0@}
3514 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3515 FAIL
3516   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3517    even though a==a^1.)
3518 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3519 @{$0==x@}
3520 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3521 @{$0==x^2@}
3522 @end example
3523
3524 @subsection Matching parts of expressions
3525 @cindex @code{has()}
3526 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3527 member function
3528
3529 @example
3530 bool ex::has(const ex & pattern);
3531 @end example
3532
3533 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3534 by any of its subexpressions.
3535
3536 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3537 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3538
3539 @example
3540 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3541 1
3542 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3543 0
3544   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3545    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3546 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3547 1
3548   (But this is possible.)
3549 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3550 0
3551   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3552    which "x+y" is not a subexpression.)
3553 > has(x+1,x^$1);
3554 0
3555   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3556    "x^something".)
3557 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3558 1
3559 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3560 0
3561   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3562    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3563    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3564 @end example
3565
3566 @cindex @code{find()}
3567 The method
3568
3569 @example
3570 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3571 @end example
3572
3573 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3574 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3575 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3576 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3577 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3578
3579 @example
3580 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3581 @{x@}
3582 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3583 @{@}
3584 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3585 @{x^3,x^2@}
3586   (Note the absence of "x".)
3587 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3588 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3589 > find(%,sin($1));
3590 @{sin(y),sin(x)@}
3591 @end example
3592
3593 @subsection Substituting expressions
3594 @cindex @code{subs()}
3595 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3596 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3597 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3598 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3599 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3600
3601 Some examples:
3602
3603 @example
3604 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3605 b^3+a^3+(x+y)^3
3606 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3607 b^4+a^4+(x+y)^4
3608 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3609 (a+b+c)^2
3610 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3611 (x+c)^2
3612 > subs(a+2*b,a+b==x);
3613 a+2*b
3614 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3615 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3616 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3617 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3618 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3619 cos(1+cos(x))
3620 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3621 a+b
3622 @end example
3623
3624 The last example would be written in C++ in this way:
3625
3626 @example
3627 @{
3628     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3629     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3630     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3631     cout << e.expand() << endl;
3632      // -> a+b
3633 @}
3634 @end example
3635
3636 @subsection Algebraic substitutions
3637 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
3638 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
3639 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
3640 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
3641 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
3642 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
3643 powers.
3644
3645 An example clarifies it all (hopefully):
3646
3647 @example
3648 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
3649                                         subs_options::algebraic) << endl;
3650 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
3651
3652 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
3653 // --> (c+b+a)^2
3654 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
3655
3656 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
3657                                                                       << endl;
3658 // --> (x+c)^2
3659 // As I said: addition is just the same.
3660
3661 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
3662 // --> x^3*b*a^2+2*b
3663
3664 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
3665                                                                        << endl;
3666 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
3667
3668 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
3669 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
3670
3671 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
3672                                 subs_options::algebraic) << endl;
3673 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
3674 // You should not really need this kind of patterns very often now.
3675 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
3676
3677 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
3678                                 subs_options::algebraic) << endl;
3679 // --> cos(1+cos(x))
3680
3681 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
3682         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
3683                                 subs_options::algebraic)) << endl;
3684 // --> b+a
3685 @end example
3686
3687
3688 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3689 @c    node-name, next, previous, up
3690 @section Applying a Function on Subexpressions
3691 @cindex tree traversal
3692 @cindex @code{map()}
3693
3694 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3695 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3696 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3697 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3698 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3699 to do this manually which usually results in code like this:
3700
3701 @example
3702 ex calc_trace(ex e)
3703 @{
3704     if (is_a<matrix>(e))
3705         return ex_to<matrix>(e).trace();
3706     else if (is_a<add>(e)) @{
3707         ex sum = 0;
3708         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
3709             sum += calc_trace(e.op(i));
3710         return sum;
3711     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3712         ...
3713     @} else @{
3714         ...
3715     @}
3716 @}
3717 @end example
3718
3719 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3720 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3721 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3722 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3723 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3724
3725 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3726 operations:
3727
3728 @example
3729 ex ex::map(map_function & f) const;
3730 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3731 @end example
3732
3733 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3734 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3735 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3736 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3737 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3738 non-recursively.
3739
3740 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3741 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3742 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3743 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3744 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3745
3746 @example
3747 struct calc_trace : public map_function @{
3748     ex operator()(const ex &e)
3749     @{
3750         if (is_a<matrix>(e))
3751             return ex_to<matrix>(e).trace();
3752         else if (is_a<mul>(e)) @{
3753             ...
3754         @} else
3755             return e.map(*this);
3756     @}
3757 @};
3758 @end example
3759
3760 This function object could then be used like this:
3761
3762 @example
3763 @{
3764     ex M = ... // expression with matrices
3765     calc_trace do_trace;
3766     ex tr = do_trace(M);
3767 @}
3768 @end example
3769
3770 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3771 terms in a variable from an expanded polynomial:
3772
3773 @example
3774 struct map_rem_quad : public map_function @{
3775     ex var;
3776     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3777
3778     ex operator()(const ex & e)
3779     @{
3780         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3781             return e.map(*this);
3782         else if (is_a<power>(e) && 
3783                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3784             return 0;
3785         else
3786             return e;
3787     @}
3788 @};
3789
3790 ...
3791
3792 @{
3793     symbol x("x"), y("y");
3794
3795     ex e;
3796     for (int i=0; i<8; i++)
3797         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3798     cout << e << endl;
3799      // -> 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
3800
3801     map_rem_quad rem_quad(x);
3802     cout << rem_quad(e) << endl;
3803      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3804 @}
3805 @end example
3806
3807 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3808 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3809 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3810 acts as the placeholder for the operands:
3811
3812 @example
3813 > map(a*b,sin($0));
3814 sin(a)*sin(b)
3815 > map(a+2*b,sin($0));
3816 sin(a)+sin(2*b)
3817 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3818 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3819 @end example
3820
3821 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3822 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3823 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3824
3825 @example
3826 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3827 @{0,0,0@}
3828   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3829   to "map(@{a,b,c@},0)".
3830 @end example
3831
3832
3833 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3834 @c    node-name, next, previous, up
3835 @section Visitors and Tree Traversal
3836 @cindex tree traversal
3837 @cindex @code{visitor} (class)
3838 @cindex @code{accept()}
3839 @cindex @code{visit()}
3840 @cindex @code{traverse()}
3841 @cindex @code{traverse_preorder()}
3842 @cindex @code{traverse_postorder()}
3843
3844 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
3845 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
3846 indices with variance you always want the covariant version returned.
3847
3848 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
3849 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
3850 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
3851 with variance, one for plain ones).
3852
3853 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
3854 such as the following:
3855
3856 @example
3857 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
3858 @{
3859     if (is_a<varidx>(e)) @{
3860         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
3861         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3862     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
3863         l.append(e);
3864     @} else @{
3865         size_t n = e.nops();
3866         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
3867             gather_indices_helper(e.op(i), l);
3868     @}
3869 @}
3870
3871 lst gather_indices(const ex & e)
3872 @{
3873     lst l;
3874     gather_indices_helper(e, l);
3875     l.sort();
3876     l.unique();
3877     return l;
3878 @}
3879 @end example
3880
3881 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
3882 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
3883 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
3884
3885 @example
3886     if (is_a<idx>(e)) @{
3887       ...
3888     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
3889       ...
3890 @end example
3891
3892 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
3893 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
3894 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
3895 executed.
3896
3897 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
3898 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
3899 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
3900 write a function that required a different implementation for nearly
3901 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
3902
3903 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
3904 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
3905 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
3906 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
3907 impossible to add virtual member functions to existing classes without
3908 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
3909 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
3910 presented this would be impractical.
3911
3912 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
3913 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
3914 variation, described in detail in
3915 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
3916 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
3917 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
3918 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
3919 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
3920 object that @code{accept()} was being invoked on.
3921
3922 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
3923 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
3924 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
3925 each class.
3926
3927 A call of
3928
3929 @example
3930 void ex::accept(visitor & v) const;
3931 @end example
3932
3933 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
3934 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
3935 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
3936
3937 Here is an example of a visitor:
3938
3939 @example
3940 class my_visitor
3941  : public visitor,          // this is required
3942    public add::visitor,     // visit add objects
3943    public numeric::visitor, // visit numeric objects
3944    public basic::visitor    // visit basic objects
3945 @{
3946     void visit(const add & x)
3947     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
3948
3949     void visit(const numeric & x)
3950     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
3951
3952     void visit(const basic & x)
3953     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
3954 @};
3955 @end example
3956
3957 which can be used as follows:
3958
3959 @example
3960 ...
3961     symbol x("x");
3962     ex e1 = 42;
3963     ex e2 = 4*x-3;
3964     ex e3 = 8*x;
3965
3966     my_visitor v;
3967     e1.accept(v);
3968      // prints "called with a numeric object"
3969     e2.accept(v);
3970      // prints "called with an add object"
3971     e3.accept(v);
3972      // prints "called with a basic object"
3973 ...
3974 @end example
3975
3976 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
3977 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
3978
3979 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
3980 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
3981 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
3982 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
3983 hierarchies of visitors.
3984
3985 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
3986
3987 @example
3988 class gather_indices_visitor
3989  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
3990 @{
3991     lst l;
3992
3993     void visit(const idx & i)
3994     @{
3995         l.append(i);
3996     @}
3997
3998     void visit(const varidx & vi)
3999     @{
4000         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4001     @}
4002
4003 public:
4004     const lst & get_result() // utility function
4005     @{
4006         l.sort();
4007         l.unique();
4008         return l;
4009     @}
4010 @};
4011 @end example
4012
4013 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4014 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4015
4016 @example
4017 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4018 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4019 void ex::traverse(visitor & v) const;
4020 @end example
4021
4022 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4023 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4024 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4025 @code{traverse_preorder()}.
4026
4027 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4028 and @code{traverse()}:
4029
4030 @example
4031 lst gather_indices(const ex & e)
4032 @{
4033     gather_indices_visitor v;
4034     e.traverse(v);
4035     return v.get_result();
4036 @}
4037 @end example
4038
4039
4040 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4041 @c    node-name, next, previous, up
4042 @section Polynomial arithmetic
4043
4044 @subsection Expanding and collecting
4045 @cindex @code{expand()}
4046 @cindex @code{collect()}
4047 @cindex @code{collect_common_factors()}
4048
4049 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4050 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4051 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4052 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4053 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4054 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4055 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4056 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4057 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4058 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4059 x*z}.
4060
4061 To bring an expression into expanded form, its method
4062
4063 @example
4064 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4065 @end example
4066
4067 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4068 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4069 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
4070 orderings of terms in such sums!
4071
4072 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4073 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4074 being polynomials in the remaining variables.  The method
4075 @code{collect()} accomplishes this task:
4076
4077 @example
4078 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4079 @end example
4080
4081 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4082 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4083 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4084 by the @code{distributed} flag.
4085
4086 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4087 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4088 coefficients properly.
4089
4090 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4091 together with @code{find()}:
4092
4093 @example
4094 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4095 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4096 > collect(a,@{p,q@});
4097 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4098 > collect(a,find(a,sin($1)));
4099 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4100 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4101 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4102 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4103 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4104 @end example
4105
4106 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4107 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4108
4109 @example
4110 ex collect_common_factors(const ex & e);
4111 @end example
4112
4113 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4114 factors which are already explicitly present:
4115
4116 @example
4117 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4118 (x+y)*a
4119 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4120 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4121 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4122 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4123 @end example
4124
4125 @subsection Degree and coefficients
4126 @cindex @code{degree()}
4127 @cindex @code{ldegree()}
4128 @cindex @code{coeff()}
4129
4130 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4131 methods
4132
4133 @example
4134 int ex::degree(const ex & s);
4135 int ex::ldegree(const ex & s);
4136 @end example
4137
4138 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4139 on rational functions, returning the asymptotic degree). To extract
4140 a coefficient with a certain power from an expanded polynomial you use
4141
4142 @example
4143 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4144 @end example
4145
4146 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4147
4148 @example
4149 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4150 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4151 @end example
4152
4153 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4154 respectively.
4155
4156 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4157 polynomial is analyzed:
4158
4159 @example
4160 @{
4161     symbol x("x"), y("y");
4162     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4163                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4164     ex Poly = PolyInp.expand();
4165     
4166     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4167         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4168              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4169     @}
4170     cout << "As polynomial in y: " 
4171          << Poly.collect(y) << endl;
4172 @}
4173 @end example
4174
4175 When run, it returns an output in the following fashion:
4176
4177 @example
4178 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4179 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4180 The x^2-coefficient is -1
4181 The x^3-coefficient is 4*y
4182 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4183 @end example
4184
4185 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4186 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4187 within the user's sphere of influence.
4188
4189 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4190 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4191 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4192 constants, functions and indexed objects as well:
4193
4194 @example
4195 @{
4196     symbol a("a"), b("b"), c("c");
4197     idx i(symbol("i"), 3);
4198
4199     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4200     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4201      // -> 4
4202     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4203      // -> -4*cos(x)
4204
4205     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4206     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4207     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4208      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4209 @}
4210 @end example
4211
4212
4213 @subsection Polynomial division
4214 @cindex polynomial division
4215 @cindex quotient
4216 @cindex remainder
4217 @cindex pseudo-remainder
4218 @cindex @code{quo()}
4219 @cindex @code{rem()}
4220 @cindex @code{prem()}
4221 @cindex @code{divide()}
4222
4223 The two functions
4224
4225 @example
4226 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4227 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4228 @end example
4229
4230 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4231 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4232
4233 The additional function
4234
4235 @example
4236 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4237 @end example
4238
4239 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4240 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4241
4242 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4243
4244 @example
4245 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4246 @end example
4247
4248 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4249 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4250 in which case the value of @code{q} is undefined.
4251
4252
4253 @subsection Unit, content and primitive part
4254 @cindex @code{unit()}
4255 @cindex @code{content()}
4256 @cindex @code{primpart()}
4257
4258 The methods
4259
4260 @example
4261 ex ex::unit(const ex & x);
4262 ex ex::content(const ex & x);
4263 ex ex::primpart(const ex & x);
4264 @end example
4265
4266 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4267 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4268 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4269 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4270 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4271 original polynomial.
4272
4273
4274 @subsection GCD and LCM
4275 @cindex GCD
4276 @cindex LCM
4277 @cindex @code{gcd()}
4278 @cindex @code{lcm()}
4279
4280 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4281 multiple have the synopsis
4282
4283 @example
4284 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4285 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4286 @end example
4287
4288 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4289 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4290 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4291 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4292 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4293
4294 @example
4295 #include <ginac/ginac.h>
4296 using namespace GiNaC;
4297
4298 int main()
4299 @{
4300     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4301     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4302     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4303
4304     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4305     // x + 5*y + 4*z
4306     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4307     // 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
4308 @}
4309 @end example
4310
4311
4312 @subsection Square-free decomposition
4313 @cindex square-free decomposition
4314 @cindex factorization
4315 @cindex @code{sqrfree()}
4316
4317 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4318 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4319 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4320 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4321 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4322 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4323 one, too:
4324 @example
4325 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4326 @end example
4327 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4328 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4329 some care with subsequent processing of the result:
4330 @example
4331     ...
4332     symbol x("x"), y("y");
4333     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4334
4335     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4336      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4337
4338     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4339      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4340
4341     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4342      // -> depending on luck, any of the above
4343     ...
4344 @end example
4345 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4346 with this method.
4347
4348
4349 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4350 @c    node-name, next, previous, up
4351 @section Rational expressions
4352
4353 @subsection The @code{normal} method
4354 @cindex @code{normal()}
4355 @cindex simplification
4356 @cindex temporary replacement
4357
4358 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4359 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4360 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4361 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4362 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4363 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4364
4365 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4366 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4367 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4368 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4369 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4370 @code{.to_rational()}, described below.
4371
4372 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4373 simplified in this little code snippet:
4374
4375 @example
4376 @{
4377     symbol x("x");
4378     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4379     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4380     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4381     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4382 @}
4383 @end example
4384
4385 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4386 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4387 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4388
4389
4390 @subsection Numerator and denominator
4391 @cindex numerator
4392 @cindex denominator
4393 @cindex @code{numer()}
4394 @cindex @code{denom()}
4395 @cindex @code{numer_denom()}
4396
4397 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4398
4399 @example
4400 ex ex::numer();
4401 ex ex::denom();
4402 ex ex::numer_denom();
4403 @end example
4404
4405 These functions will first normalize the expression as described above and
4406 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4407 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4408 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4409
4410
4411 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4412 @cindex @code{to_polynomial()}
4413 @cindex @code{to_rational()}
4414
4415 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4416 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4417 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4418 above. You do this by calling
4419
4420 @example
4421 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4422 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4423 @end example
4424 or
4425 @example
4426 ex ex::to_rational(exmap & m);
4427 ex ex::to_rational(lst & l);
4428 @end example
4429
4430 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4431 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4432 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4433 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4434 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4435 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4436
4437 The difference betwerrn @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4438 is probably best illustrated with an example:
4439
4440 @example
4441 @{
4442     symbol x("x"), y("y");
4443     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4444     cout << a << endl;
4445
4446     lst lp;
4447     ex p = a.to_polynomial(lp);
4448     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4449      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4450      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4451
4452     lst lr;
4453     ex r = a.to_rational(lr);
4454     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4455      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4456      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4457 @}
4458 @end example
4459
4460 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4461
4462 @example
4463 @{
4464     symbol x("x");
4465     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4466     ex b = sin(x) + cos(x);
4467     ex q;
4468     exmap m;
4469     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4470     cout << q.subs(m) << endl;
4471 @}
4472 @end example
4473
4474
4475 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4476 @c    node-name, next, previous, up
4477 @section Symbolic differentiation
4478 @cindex differentiation
4479 @cindex @code{diff()}
4480 @cindex chain rule
4481 @cindex product rule
4482
4483 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4484 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4485 the derivatives of all the monomials:
4486
4487 @example
4488 @{
4489     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4490     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4491
4492     cout << P.diff(x,2) << endl;
4493      // -> 20*x^3 + 2
4494     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4495      // -> 1
4496     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4497      // -> 0
4498 @}
4499 @end example
4500
4501 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4502 returns the @var{n}th derivative.
4503
4504 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4505 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4506 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4507 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4508 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4509 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4510 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4511 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4512 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4513 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4514 lines:
4515
4516 @cindex Euler numbers
4517 @example
4518 #include <ginac/ginac.h>
4519 using namespace GiNaC;
4520
4521 ex EulerNumber(unsigned n)
4522 @{
4523     symbol x;
4524     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4525     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4526 @}
4527
4528 int main()
4529 @{
4530     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4531         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4532     return 0;
4533 @}
4534 @end example
4535
4536 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4537 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4538 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4539
4540
4541 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4542 @c    node-name, next, previous, up
4543 @section Series expansion
4544 @cindex @code{series()}
4545 @cindex Taylor expansion
4546 @cindex Laurent expansion
4547 @cindex @code{pseries} (class)
4548 @cindex @code{Order()}
4549
4550 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
4551 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
4552 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
4553 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
4554 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
4555 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
4556 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
4557 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
4558 term).  A sample application from special relativity could read:
4559
4560 @example
4561 #include <ginac/ginac.h>
4562 using namespace std;
4563 using namespace GiNaC;
4564
4565 int main()
4566 @{
4567     symbol v("v"), c("c");
4568     
4569     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
4570     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
4571     
4572     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
4573          << mass_nonrel << endl;
4574     
4575     cout << "the inverse square of this series is " << endl
4576          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
4577 @}
4578 @end example
4579
4580 Only calling the series method makes the last output simplify to
4581 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
4582 series raised to the power @math{-2}.
4583
4584 @cindex Machin's formula
4585 As another instructive application, let us calculate the numerical 
4586 value of Archimedes' constant
4587 @tex
4588 $\pi$
4589 @end tex
4590 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
4591 using John Machin's amazing formula
4592 @tex
4593 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
4594 @end tex
4595 @ifnottex
4596 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
4597 @end ifnottex
4598 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
4599 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
4600 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
4601 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
4602 order term with it and the question arises what the system is supposed
4603 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
4604 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
4605 term off:
4606
4607 @example
4608 #include <ginac/ginac.h>
4609 using namespace GiNaC;
4610
4611 ex machin_pi(int degr)
4612 @{
4613     symbol x;
4614     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
4615     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
4616                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
4617     return pi_approx;
4618 @}
4619
4620 int main()
4621 @{
4622     using std::cout;  // just for fun, another way of...
4623     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
4624     ex pi_frac;
4625     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
4626         pi_frac = machin_pi(i);
4627         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
4628              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
4629     @}
4630     return 0;
4631 @}
4632 @end example
4633
4634 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
4635 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
4636 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
4637 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
4638 program, it will type out:
4639
4640 @example
4641 2:      3804/1195
4642         3.1832635983263598326
4643 4:      5359397032/1706489875
4644         3.1405970293260603143
4645 6:      38279241713339684/12184551018734375
4646         3.141621029325034425
4647 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4648         3.141591772182177295
4649 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4650         3.1415926824043995174
4651 @end example
4652
4653
4654 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4655 @c    node-name, next, previous, up
4656 @section Symmetrization
4657 @cindex @code{symmetrize()}
4658 @cindex @code{antisymmetrize()}
4659 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4660
4661 The three methods
4662
4663 @example
4664 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4665 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4666 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4667 @end example
4668
4669 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4670 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4671 weighted by the number of permutations.
4672
4673 The three additional methods
4674
4675 @example
4676 ex ex::symmetrize();
4677 ex ex::antisymmetrize();
4678 ex ex::symmetrize_cyclic();
4679 @end example
4680
4681 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4682
4683 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4684 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4685
4686 @example
4687 @{
4688     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4689     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4690                                            
4691     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4692      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4693     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4694      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4695     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4696      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4697 @}
4698 @end example
4699
4700
4701 @node Built-in Functions, Solving Linear Systems of Equations, Symmetrization, Methods and Functions
4702 @c    node-name, next, previous, up
4703 @section Predefined mathematical functions
4704
4705 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4706
4707 @cartouche
4708 @multitable @columnfractions .30 .70
4709 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4710 @item @code{abs(x)}
4711 @tab absolute value
4712 @cindex @code{abs()}
4713 @item @code{csgn(x)}
4714 @tab complex sign
4715 @cindex @code{csgn()}
4716 @item @code{sqrt(x)}
4717 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4718 @cindex @code{sqrt()}
4719 @item @code{sin(x)}
4720 @tab sine
4721 @cindex @code{sin()}
4722 @item @code{cos(x)}
4723 @tab cosine
4724 @cindex @code{cos()}
4725 @item @code{tan(x)}
4726 @tab tangent
4727 @cindex @code{tan()}
4728 @item @code{asin(x)}
4729 @tab inverse sine
4730 @cindex @code{asin()}
4731 @item @code{acos(x)}
4732 @tab inverse cosine
4733 @cindex @code{acos()}
4734 @item @code{atan(x)}
4735 @tab inverse tangent
4736 @cindex @code{atan()}
4737 @item @code{atan2(y, x)}
4738 @tab inverse tangent with two arguments
4739 @item @code{sinh(x)}
4740 @tab hyperbolic sine
4741 @cindex @code{sinh()}
4742 @item @code{cosh(x)}
4743 @tab hyperbolic cosine
4744 @cindex @code{cosh()}
4745 @item @code{tanh(x)}
4746 @tab hyperbolic tangent
4747 @cindex @code{tanh()}
4748 @item @code{asinh(x)}
4749 @tab inverse hyperbolic sine
4750 @cindex @code{asinh()}
4751 @item @code{acosh(x)}
4752 @tab inverse hyperbolic cosine
4753 @cindex @code{acosh()}
4754 @item @code{atanh(x)}
4755 @tab inverse hyperbolic tangent
4756 @cindex @code{atanh()}
4757 @item @code{exp(x)}
4758 @tab exponential function
4759 @cindex @code{exp()}
4760 @item @code{log(x)}
4761 @tab natural logarithm
4762 @cindex @code{log()}
4763 @item @code{Li2(x)}
4764 @tab Dilogarithm
4765 @cindex @code{Li2()}
4766 @item @code{zeta(x)}
4767 @tab Riemann's zeta function
4768 @cindex @code{zeta()}
4769 @item @code{zeta(n, x)}
4770 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4771 @item @code{tgamma(x)}
4772 @tab Gamma function
4773 @cindex @code{tgamma()}
4774 @cindex Gamma function
4775 @item @code{lgamma(x)}
4776 @tab logarithm of Gamma function
4777 @cindex @code{lgamma()}
4778 @item @code{beta(x, y)}
4779 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4780 @cindex @code{beta()}
4781 @item @code{psi(x)}
4782 @tab psi (digamma) function
4783 @cindex @code{psi()}
4784 @item @code{psi(n, x)}
4785 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4786 @item @code{factorial(n)}
4787 @tab factorial function
4788 @cindex @code{factorial()}
4789 @item @code{binomial(n, m)}
4790 @tab binomial coefficients
4791 @cindex @code{binomial()}
4792 @item @code{Order(x)}
4793 @tab order term function in truncated power series
4794 @cindex @code{Order()}
4795 @item @code{Li(n,x)}
4796 @tab polylogarithm
4797 @cindex @code{Li()}
4798 @item @code{S(n,p,x)}
4799 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
4800 @cindex @code{S()}
4801 @item @code{H(m_lst,x)}
4802 @tab harmonic polylogarithm
4803 @cindex @code{H()}
4804 @item @code{Li(m_lst,x_lst)}
4805 @tab multiple polylogarithm
4806 @cindex @code{Li()}
4807 @item @code{mZeta(m_lst)}
4808 @tab multiple zeta value
4809 @cindex @code{mZeta()}
4810 @end multitable
4811 @end cartouche
4812
4813 @cindex branch cut
4814 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4815 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4816 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4817 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4818 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4819 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4820 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4821 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4822 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4823 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4824 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4825 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4826 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4827 compatible with C99.
4828
4829
4830 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Built-in Functions, Methods and Functions
4831 @c    node-name, next, previous, up
4832 @section Solving Linear Systems of Equations
4833 @cindex @code{lsolve()}
4834
4835 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
4836 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
4837 needs to be solved:
4838
4839 @example
4840 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
4841 @end example
4842
4843 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
4844 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
4845 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
4846 @code{lst}).
4847
4848 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
4849 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
4850
4851 @example
4852 @{
4853     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4854     lst eqns;
4855     eqns.append(a*x+b*y==3).append(x-y==b);
4856     lst vars;
4857     vars.append(x).append(y);
4858     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
4859     // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
4860 @end example
4861
4862 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
4863 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
4864 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
4865 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
4866 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
4867 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
4868 around that method.
4869
4870
4871 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
4872 @c    node-name, next, previous, up
4873 @section Input and output of expressions
4874 @cindex I/O
4875
4876 @subsection Expression output
4877 @cindex printing
4878 @cindex output of expressions
4879
4880 Expressions can simply be written to any stream:
4881
4882 @example
4883 @{
4884     symbol x("x");
4885     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
4886     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
4887     // ...
4888 @end example
4889
4890 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
4891 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
4892 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
4893 is printed as @samp{x^2}).
4894
4895 It is possible to print expressions in a number of different formats with
4896 a set of stream manipulators;
4897
4898 @example
4899 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
4900 std::ostream & latex(std::ostream & os);
4901 std::ostream & tree(std::ostream & os);
4902 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
4903 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
4904 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
4905 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
4906 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
4907 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
4908 @end example
4909
4910 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
4911 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
4912 @code{print_csrc()} functions, respectively.
4913
4914 @cindex @code{dflt}
4915 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
4916 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
4917
4918 @example
4919     // ...
4920     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
4921     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
4922     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
4923     cout << dflt;             // revert to default output format
4924     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
4925     // ...
4926 @end example
4927
4928 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
4929 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
4930
4931 @example
4932     // ...
4933     ostringstream s;
4934     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
4935     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
4936     // ...
4937 @end example
4938
4939 @cindex @code{csrc}
4940 @cindex @code{csrc_float}
4941 @cindex @code{csrc_double}
4942 @cindex @code{csrc_cl_N}
4943 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
4944 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
4945 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
4946 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
4947 classes provided by the CLN library):
4948
4949 @example
4950     // ...
4951     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
4952     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
4953     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
4954     // ...
4955 @end example
4956
4957 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
4958 @code{x*x}):
4959
4960 @example
4961 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
4962 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
4963 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
4964 @end example
4965
4966 @cindex @code{tree}
4967 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
4968 expression for debugging purposes:
4969
4970 @example
4971     // ...
4972     cout << tree << e;
4973 @}
4974 @end example
4975
4976 produces
4977
4978 @example
4979 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4980     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4981         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
4982         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
4983     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
4984     -----
4985     overall_coeff
4986     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
4987     =====
4988 @end example
4989
4990 @cindex @code{latex}
4991 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
4992 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
4993 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
4994 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
4995 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
4996 constructor.
4997
4998 For example, the code snippet
4999
5000 @example
5001 @{
5002     symbol x("x", "\\circ");
5003     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5004     cout << latex << e << endl;
5005 @}
5006 @end example
5007
5008 will print
5009
5010 @example
5011     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5012 @end example
5013
5014 @cindex @code{index_dimensions}
5015 @cindex @code{no_index_dimensions}
5016 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5017 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5018 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5019 formats:
5020
5021 @example
5022 @{
5023     symbol x("x"), y("y");
5024     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5025     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5026
5027     cout << e << endl;
5028      // prints 'x~mu*y~nu'
5029     cout << index_dimensions << e << endl;
5030      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5031     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5032      // prints 'x~mu*y~nu'
5033 @}
5034 @end example
5035
5036
5037 @cindex Tree traversal
5038 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5039 with other algebra systems or for producing code for different
5040 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5041
5042 @example
5043 static void my_print(const ex & e)
5044 @{
5045     if (is_a<function>(e))
5046         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5047     else
5048         cout << e.bp->class_name();
5049     cout << "(";
5050     size_t n = e.nops();
5051     if (n)
5052         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5053             my_print(e.op(i));
5054             if (i != n-1)
5055                 cout << ",";
5056         @}
5057     else
5058         cout << e;
5059     cout << ")";
5060 @}
5061
5062 int main()
5063 @{
5064     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5065     return 0;
5066 @}
5067 @end example
5068
5069 This will produce
5070
5071 @example
5072 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5073 symbol(y))),numeric(-2)))
5074 @end example
5075
5076 If you need an output format that makes it possible to accurately
5077 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5078 object factory, you should consider storing the expression in an
5079 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5080 See the section on archiving for more information.
5081
5082
5083 @subsection Expression input
5084 @cindex input of expressions
5085
5086 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5087 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5088 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5089 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5090 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5091
5092 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5093 list of symbols to be used:
5094
5095 @example
5096 @{
5097     symbol x("x"), y("y");
5098     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5099 @}
5100 @end example
5101
5102 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5103 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5104 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5105 the list it will throw an exception.
5106
5107 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5108
5109 @example
5110 #include <iostream>
5111 #include <string>
5112 #include <stdexcept>
5113 #include <ginac/ginac.h>
5114 using namespace std;
5115 using namespace GiNaC;
5116
5117 int main()
5118 @{
5119     symbol x("x");
5120     string s;
5121
5122     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5123     getline(cin, s);
5124
5125     try @{
5126         ex e(s, lst(x));
5127         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5128         cout << e.diff(x) << ".\n";
5129     @} catch (exception &p) @{
5130         cerr << p.what() << endl;
5131     @}
5132 @}
5133 @end example
5134
5135
5136 @subsection Archiving
5137 @cindex @code{archive} (class)
5138 @cindex archiving
5139
5140 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5141 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5142 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5143 expression a unique name:
5144
5145 @example
5146 #include <fstream>
5147 using namespace std;
5148 #include <ginac/ginac.h>
5149 using namespace GiNaC;
5150
5151 int main()
5152 @{
5153     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5154
5155     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5156     ex bar = foo + 1;
5157
5158     archive a;
5159     a.archive_ex(foo, "foo");
5160     a.archive_ex(bar, "the second one");
5161     // ...
5162 @end example
5163
5164 The archive can then be written to a file:
5165
5166 @example
5167     // ...
5168     ofstream out("foobar.gar");
5169     out << a;
5170     out.close();
5171     // ...
5172 @end example
5173
5174 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5175 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5176
5177 @cindex @command{viewgar}
5178 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5179 the contents of GiNaC archive files:
5180
5181 @example
5182 $ viewgar foobar.gar
5183 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5184 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5185 @end example
5186
5187 The point of writing archive files is of course that they can later be
5188 read in again:
5189
5190 @example
5191     // ...
5192     archive a2;
5193     ifstream in("foobar.gar");
5194     in >> a2;
5195     // ...
5196 @end example
5197
5198 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5199
5200 @example
5201     // ...
5202     lst syms(x, y);
5203
5204     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5205     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5206
5207     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5208     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5209     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5210 @}
5211 @end example
5212
5213 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5214 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5215 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5216 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5217 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5218 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5219 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5220 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5221
5222 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5223 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5224 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5225 functions that let you access the stored properties:
5226
5227 @example
5228 static void my_print2(const archive_node & n)
5229 @{
5230     string class_name;
5231     n.find_string("class", class_name);
5232     cout << class_name << "(";
5233
5234     archive_node::propinfovector p;
5235     n.get_properties(p);
5236
5237     size_t num = p.size();
5238     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5239         const string &name = p[i].name;
5240         if (name == "class")
5241             continue;
5242         cout << name << "=";
5243
5244         unsigned count = p[i].count;
5245         if (count > 1)
5246             cout << "@{";
5247
5248         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5249             switch (p[i].type) @{
5250                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5251                     bool x;
5252                     n.find_bool(name, x, j);
5253                     cout << (x ? "true" : "false");
5254                     break;
5255                 @}
5256                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5257                     unsigned x;
5258                     n.find_unsigned(name, x, j);
5259                     cout << x;
5260                     break;
5261                 @}
5262                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5263                     string x;
5264                     n.find_string(name, x, j);
5265                     cout << '\"' << x << '\"';
5266                     break;
5267                 @}
5268                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5269                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5270                     my_print2(x);
5271                     break;
5272                 @}
5273             @}
5274
5275             if (j != count-1)
5276                 cout << ",";
5277         @}
5278
5279         if (count > 1)
5280             cout << "@}";
5281
5282         if (i != num-1)
5283             cout << ",";
5284     @}
5285
5286     cout << ")";
5287 @}
5288
5289 int main()
5290 @{
5291     ex e = pow(2, x) - y;
5292     archive ar(e, "e");
5293     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5294     return 0;
5295 @}
5296 @end example
5297
5298 This will produce:
5299
5300 @example
5301 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5302 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5303 overall_coeff=numeric(number="0"))
5304 @end example
5305
5306 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5307 class may change between GiNaC versions.
5308
5309
5310 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5311 @c    node-name, next, previous, up
5312 @chapter Extending GiNaC
5313
5314 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5315 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
5316 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5317 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5318 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5319 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5320
5321 @menu
5322 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5323 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5324 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5325 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5326 @end menu
5327
5328
5329 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5330 @c    node-name, next, previous, up
5331 @section What doesn't belong into GiNaC
5332
5333 @cindex @command{ginsh}
5334 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5335 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5336 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5337 language.  There are no loops or conditional expressions in
5338 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5339 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5340 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5341 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5342 the future.
5343
5344 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5345 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5346 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5347 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5348 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5349 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5350 provided by CLN are much better suited.
5351
5352
5353 @node Symbolic functions, Structures, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5354 @c    node-name, next, previous, up
5355 @section Symbolic functions
5356
5357 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5358 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5359 two preprocessor macros:
5360
5361 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5362 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5363 @example
5364 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
5365 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
5366 @end example
5367
5368 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
5369 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
5370 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
5371 @code{function} object that represents your function.
5372
5373 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
5374 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
5375 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
5376 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
5377 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
5378 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
5379 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
5380 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
5381
5382 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
5383 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
5384 done our best to avoid macros where we can.)
5385
5386 @subsection A minimal example
5387
5388 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
5389 that is not further evaluated:
5390
5391 @example
5392 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
5393
5394 static ex myfcn_eval(const ex & x, const ex & y)
5395 @{
5396     return myfcn(x, y).hold();
5397 @}
5398
5399 REGISTER_FUNCTION(myfcn, eval_func(myfcn_eval))
5400 @end example
5401
5402 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
5403 in algebraic expressions:
5404
5405 @example
5406 @{
5407     ...
5408     symbol x("x");
5409     ex e = 2*myfcn(42, 3*x+1) - x;
5410      // this calls myfcn_eval(42, 3*x+1), and inserts its return value into
5411      // the actual expression
5412     cout << e << endl;
5413      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
5414     ...
5415 @}
5416 @end example
5417
5418 @cindex @code{hold()}
5419 @cindex evaluation
5420 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
5421 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
5422 the same number of arguments as the associated symbolic function (two in this
5423 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
5424 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
5425 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
5426 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
5427 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
5428 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
5429 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
5430 somewhere.
5431
5432 There is not much you can do with the @code{myfcn} function. It merely acts
5433 as a kind of container for its arguments (which is, however, sometimes
5434 perfectly sufficient). Let's have a look at the implementation of GiNaC's
5435 cosine function.
5436
5437 @subsection The cosine function
5438
5439 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
5440
5441 @example
5442 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
5443 @end example
5444
5445 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
5446 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
5447 this function in expressions.
5448
5449 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. The
5450 @code{eval_func()} function looks something like this (actually, it doesn't
5451 look like this at all, but it should give you an idea what is going on):
5452
5453 @example
5454 static ex cos_eval(const ex & x)
5455 @{
5456     if (<x is a multiple of 2*Pi>)
5457         return 1;
5458     else if (<x is a multiple of Pi>)
5459         return -1;
5460     else if (<x is a multiple of Pi/2>)
5461         return 0;
5462     // more rules...
5463
5464     else if (<x has the form 'acos(y)'>)
5465         return y;
5466     else if (<x has the form 'asin(y)'>)
5467         return sqrt(1-y^2);
5468     // more rules...
5469
5470     else
5471         return cos(x).hold();
5472 @}
5473 @end example
5474
5475 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
5476 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
5477 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
5478 with @code{.hold()}.
5479
5480 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
5481 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
5482 different function:
5483
5484 @example
5485 static ex cos_evalf(const ex & x)
5486 @{
5487     if (is_a<numeric>(x))
5488         return cos(ex_to<numeric>(x));
5489     else
5490         return cos(x).hold();
5491 @}
5492 @end example
5493
5494 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
5495 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
5496 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
5497 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
5498 function would require it in this place.
5499
5500 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
5501 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
5502 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
5503 @code{ex::diff}):
5504
5505 @example
5506 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
5507 @{
5508     return -sin(x);
5509 @}
5510 @end example
5511
5512 @cindex product rule
5513 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
5514 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
5515 case the function has more than one parameter, and its main application
5516 is for correct handling of the chain rule.
5517
5518 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
5519 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
5520 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
5521 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
5522
5523 @example
5524 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
5525                      int order, unsigned options)
5526 @{
5527     // Find the actual expansion point
5528     const ex x_pt = x.subs(rel);
5529
5530     if (<x_pt is not an odd multiple of Pi/2>)
5531         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
5532
5533     // On a pole, expand sin()/cos()
5534     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
5535 @}
5536 @end example
5537
5538 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
5539 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
5540
5541 Now that all the ingredients have been set up, the @code{REGISTER_FUNCTION}
5542 macro is used to tell the system how the @code{cos()} function behaves:
5543
5544 @example
5545 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
5546                        evalf_func(cos_evalf).
5547                        derivative_func(cos_deriv).
5548                        latex_name("\\cos"));
5549 @end example
5550
5551 This registers the @code{cos_eval()}, @code{cos_evalf()} and
5552 @code{cos_deriv()} C++ functions with the @code{cos()} function, and also
5553 gives it a proper LaTeX name.
5554
5555 @subsection Function options
5556
5557 GiNaC functions understand several more options which are always
5558 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
5559 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()} (usually
5560 the @code{eval()} method).
5561
5562 @example
5563 eval_func(<C++ function>)
5564 evalf_func(<C++ function>)
5565 derivative_func(<C++ function>)
5566 series_func(<C++ function>)
5567 @end example
5568
5569 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
5570 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
5571 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
5572 @code{diff()} and @code{series()}.
5573
5574 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
5575 automatic evaluation is desired or possible.
5576
5577 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
5578 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
5579 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
5580 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
5581 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
5582 suitable transformation.
5583
5584 @example
5585 latex_name(const string & n)
5586 @end example
5587
5588 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
5589 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
5590
5591 @example
5592 do_not_evalf_params()
5593 @end example
5594
5595 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
5596 function before calling the @code{evalf_func()}.
5597
5598 @example
5599 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
5600 @end example
5601
5602 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
5603 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
5604 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
5605 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
5606 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
5607 commutation properties of their first argument.
5608
5609 @example
5610 set_symmetry(const symmetry & s)
5611 @end example
5612
5613 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
5614 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
5615 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
5616 symmetric functions into a canonical order.
5617
5618
5619 @node Structures, Adding classes, Symbolic functions, Extending GiNaC
5620 @c    node-name, next, previous, up
5621 @section Structures
5622
5623 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
5624 need some more organized way to store data in your expressions instead of
5625 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
5626 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
5627 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
5628
5629 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
5630 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
5631 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
5632 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
5633 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
5634 read both sections because many common concepts and member functions are
5635 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
5636 is most suited to your needs.
5637
5638 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
5639 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
5640 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
5641
5642 @subsection Example: scalar products
5643
5644 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
5645 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
5646 product class have to store their left and right operands, which can in turn
5647 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
5648 product in a C++ @code{struct}:
5649
5650 @example
5651 #include <iostream>
5652 using namespace std;
5653
5654 #include <ginac/ginac.h>
5655 using namespace GiNaC;
5656
5657 struct sprod_s @{
5658     ex left, right;
5659
5660     sprod_s() @{@}
5661     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
5662 @};
5663 @end example
5664
5665 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
5666 data structure, we need only one line:
5667
5668 @example
5669 typedef structure<sprod_s> sprod;
5670 @end example
5671
5672 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
5673 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
5674 expressions like any other GiNaC class:
5675
5676 @example
5677 ...
5678     symbol a("a"), b("b");
5679     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
5680 ...
5681 @end example
5682
5683 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
5684 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
5685 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
5686 constructed from an @code{sprod_s} object.
5687
5688 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
5689 you could define a little wrapper function like this:
5690
5691 @example
5692 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
5693 @{
5694     return sprod(sprod_s(left, right));
5695 @}
5696 @end example
5697
5698 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
5699 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
5700 @code{get_struct()}:
5701
5702 @example
5703 ...
5704     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
5705      // -> a
5706     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
5707      // -> b
5708 ...
5709 @end example
5710
5711 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
5712
5713 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
5714 that deal with scalar products, for example:
5715
5716 @example
5717 ex swap_sprod(ex p)
5718 @{
5719     if (is_a<sprod>(p)) @{
5720         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
5721         return make_sprod(sp.right, sp.left);
5722     @} else
5723         return p;
5724 @}
5725
5726 ...
5727     f = swap_sprod(e);
5728      // f is now <b|a>
5729 ...
5730 @end example
5731
5732 @subsection Structure output
5733
5734 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
5735 desired, most notably proper output:
5736
5737 @example
5738 ...
5739     cout << e << endl;
5740      // -> [structure object]
5741 ...
5742 @end example
5743
5744 By default, any structure types you define will be printed as
5745 @samp{[structure object]}. To override this, you can specialize the
5746 template's @code{print()} member function. The member functions of
5747 GiNaC classes are described in more detail in the next section, but
5748 it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
5749
5750 @example
5751 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
5752 @{
5753     // tree debug output handled by superclass
5754     if (is_a<print_tree>(c))
5755         inherited::print(c, level);
5756
5757     // get the contained sprod_s object
5758     const sprod_s & sp = get_struct();
5759
5760     // print_context::s is a reference to an ostream
5761     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
5762 @}
5763 @end example
5764
5765 Now we can print expressions containing scalar products:
5766
5767 @example
5768 ...
5769     cout << e << endl;
5770      // -> <a|b>
5771     cout << swap_sprod(e) << endl;
5772      // -> <b|a>
5773 ...
5774 @end example
5775
5776 @subsection Comparing structures
5777
5778 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
5779 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
5780 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
5781 and undesired behavior:
5782
5783 @example
5784 ...
5785     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5786      // -> 0
5787     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5788      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
5789 ...
5790 @end example
5791
5792 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
5793 for objects of type @code{sprod_s}:
5794
5795 @example
5796 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
5797 @{
5798     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
5799 @}
5800
5801 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
5802 @{
5803     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
5804 @}
5805 @end example
5806
5807 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
5808 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
5809 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
5810 in the implementation of these operators because they would construct
5811 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
5812 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
5813 decide which one is algebraically 'less').
5814
5815 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
5816 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
5817
5818 @example
5819 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
5820 @end example
5821
5822 @code{sprod} objects then behave as expected:
5823
5824 @example
5825 ...
5826     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5827      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
5828     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5829      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
5830     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
5831      // -> 0
5832     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
5833      // -> 2*<a|b>
5834 ...
5835 @end example
5836
5837 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
5838 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
5839 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
5840 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
5841 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
5842 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
5843
5844 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
5845 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
5846 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
5847 This should be used with extreme care because it only works reliably with
5848 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
5849 undefined value) that the @code{T} class might have.
5850
5851 @subsection Subexpressions
5852
5853 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
5854 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
5855 @code{nops()} and @code{op()} methods:
5856
5857 @example
5858 size_t sprod::nops() const
5859 @{
5860     return 2;
5861 @}
5862
5863 ex sprod::op(size_t i) const
5864 @{
5865     switch (i) @{
5866     case 0:
5867         return get_struct().left;
5868     case 1:
5869         return get_struct().right;
5870     default:
5871         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
5872     @}
5873 @}
5874 @end example
5875
5876 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
5877 @code{sprod} has two other nice side effects:
5878
5879 @itemize @bullet
5880 @item
5881 @code{has()} works as expected
5882 @item
5883 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
5884 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
5885 @end itemize
5886
5887 @cindex @code{let_op()}
5888 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
5889 allows replacing subexpressions:
5890
5891 @example
5892 ex & sprod::let_op(size_t i)
5893 @{
5894     // every non-const member function must call this
5895     ensure_if_modifiable();
5896
5897     switch (i) @{
5898     case 0:
5899         return get_struct().left;
5900     case 1:
5901         return get_struct().right;
5902     default:
5903         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
5904     @}
5905 @}
5906 @end example
5907
5908 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
5909 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
5910 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
5911 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
5912
5913 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
5914 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
5915 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
5916 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
5917 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
5918 This is left as an exercise for the reader.
5919
5920 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
5921 you can override by specialization to customize the behavior of your
5922 structures. You are referred to the next section for a description of
5923 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
5924 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
5925 @code{structure<T>} template: archiving.
5926
5927 @subsection Archiving structures
5928
5929 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
5930 should first read the next section and then come back here. You're back?
5931 Good.
5932
5933 To implement archiving for structures it is not enough to provide
5934 specializations for the @code{archive()} member function and the
5935 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
5936 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
5937 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
5938 the class of an object is stored as a string, the class name.
5939
5940 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
5941 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
5942 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
5943 need to provide a different name for each by specializing the
5944 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
5945 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
5946
5947 @example
5948 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
5949
5950 void sprod::archive(archive_node & n) const
5951 @{
5952     inherited::archive(n);
5953     n.add_ex("left", get_struct().left);
5954     n.add_ex("right", get_struct().right);
5955 @}
5956
5957 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
5958 @{
5959     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
5960     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
5961 @}
5962 @end example
5963
5964 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
5965 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
5966 @code{sprod::unarchive()} function.
5967
5968
5969 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
5970 @c    node-name, next, previous, up
5971 @section Adding classes
5972
5973 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
5974 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
5975 severe of which being that you can't add any new member functions to
5976 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
5977 from scratch.
5978
5979 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
5980 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
5981 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
5982 required member functions are that you have to implement. We only cover the
5983 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
5984 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
5985 representing tensor products is more involved but this section should give
5986 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
5987 classes if you want to implement something more complicated.
5988
5989 @subsection GiNaC's run-time type information system
5990
5991 @cindex hierarchy of classes
5992 @cindex RTTI
5993 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
5994 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
5995 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
5996 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
5997 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
5998 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
5999 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
6000 system that provides this kind of information is called a run-time type
6001 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
6002 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
6003 implements its own, simpler RTTI.
6004
6005 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
6006
6007 @itemize @bullet
6008
6009 @item
6010 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
6011 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
6012 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
6013 classes. They all start with @code{TINFO_}.
6014
6015 @item
6016 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
6017 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
6018 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
6019 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
6020 @file{registrar.h} header file.
6021
6022 @end itemize
6023
6024 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
6025 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
6026 or less automatic) but don't worry, most of the work is simplified by
6027 macros.
6028
6029 @subsection A minimalistic example
6030
6031 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
6032 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
6033 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
6034 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
6035 for your own classes.
6036
6037 The code snippets given here assume that you have included some header files
6038 as follows:
6039
6040 @example
6041 #include <iostream>
6042 #include <string>   
6043 #include <stdexcept>
6044 using namespace std;
6045
6046 #include <ginac/ginac.h>
6047 using namespace GiNaC;
6048 @end example
6049
6050 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
6051 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
6052 by one of the existing classes but it's better to come up with something
6053 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
6054 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
6055 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
6056
6057 @example
6058 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
6059 @end example
6060
6061 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
6062 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
6063 object from a C or C++ string:
6064
6065 @example
6066 class mystring : public basic
6067 @{
6068     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6069   
6070 public:
6071     mystring(const string &s);
6072     mystring(const char *s);
6073
6074 private:
6075     string str;
6076 @};
6077
6078 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6079 @end example
6080
6081 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
6082 macros are defined in @file{registrar.h}.  They take the name of the class
6083 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
6084 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
6085 the first line after the opening brace of the class definition. The
6086 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
6087 source (at global scope, of course, not inside a function).
6088
6089 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
6090 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
6091 are required.  It also defines a type @code{inherited} which refers to the
6092 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
6093 the class hierarchy.  @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
6094 class with the GiNaC RTTI.
6095
6096 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
6097 class:
6098
6099 @itemize
6100
6101 @item
6102 @code{mystring()}, the default constructor.
6103
6104 @item
6105 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
6106 information needed to reconstruct an object of this class inside an
6107 @code{archive_node}.
6108
6109 @item
6110 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
6111 constructor. This constructs an instance of the class from the information
6112 found in an @code{archive_node}.
6113
6114 @item
6115 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
6116 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
6117 constructor.
6118
6119 @item
6120 @cindex @code{compare_same_type()}
6121 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
6122 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
6123 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
6124 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
6125 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
6126 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
6127 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
6128 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
6129 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
6130 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
6131 defined.
6132
6133 @item
6134 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
6135 which are the two constructors we declared.
6136
6137 @end itemize
6138
6139 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
6140
6141 @example
6142 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
6143 @end example
6144
6145 The golden rule is that in all constructors you have to set the
6146 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
6147 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
6148 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
6149 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
6150 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
6151 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
6152 to the right value manually.
6153
6154 In the default constructor you should set all other member variables to
6155 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
6156 member gets set to an empty string automatically).
6157
6158 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
6159 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
6160 is really simple.  First, the archiving function:
6161
6162 @example
6163 void mystring::archive(archive_node &n) const
6164 @{
6165     inherited::archive(n);
6166     n.add_string("string", str);
6167 @}
6168 @end example
6169
6170 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
6171 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
6172 deem necessary for representing the object into the passed
6173 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
6174 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
6175 file.
6176
6177 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
6178 function:
6179
6180 @example
6181 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6182 @{
6183     n.find_string("string", str);
6184 @}
6185 @end example
6186
6187 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
6188 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
6189 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
6190 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
6191
6192 Finally, the unarchiving function:
6193
6194 @example
6195 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
6196 @{
6197     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
6198 @}
6199 @end example
6200
6201 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
6202 four lines into your code literally (replacing the class name, of
6203 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
6204 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
6205 to global objects) you don't need a different implementation. For those
6206 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
6207 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
6208 automatically once it is no longer referenced.
6209
6210 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
6211 the string members:
6212
6213 @example
6214 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
6215 @{
6216     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
6217     int cmpval = str.compare(o.str);
6218     if (cmpval == 0)
6219         return 0;
6220     else if (cmpval < 0)
6221         return -1;
6222     else
6223         return 1;
6224 @}
6225 @end example
6226
6227 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
6228 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
6229 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
6230 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
6231 all relevant member variables.
6232
6233 Now the only thing missing is our two new constructors:
6234
6235 @example
6236 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6237 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6238 @end example
6239
6240 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
6241 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
6242
6243 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
6244 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
6245
6246 @example
6247 ex e = mystring("Hello, world!");
6248 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
6249  // -> 1 (true)
6250
6251 cout << e.bp->class_name() << endl;
6252  // -> mystring
6253 @end example
6254
6255 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
6256
6257 @example
6258 cout << e << endl;
6259  // -> [mystring object]
6260 @end example
6261
6262 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
6263 doesn't yet know how to print itself. This is done in the @code{print()}
6264 member function. Let's say that we wanted to print the string surrounded
6265 by double quotes:
6266
6267 @example
6268 class mystring : public basic
6269 @{
6270     ...
6271 public:
6272     void print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
6273     ...
6274 @};
6275
6276 void mystring::print(const print_context &c, unsigned level) const
6277 @{
6278     // print_context::s is a reference to an ostream
6279     c.s << '\"' << str << '\"';
6280 @}
6281 @end example
6282
6283 The @code{level} argument is only required for container classes to
6284 correctly parenthesize the output. Let's try again to print the expression:
6285
6286 @example
6287 cout << e << endl;
6288  // -> "Hello, world!"
6289 @end example
6290
6291 Much better. The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
6292
6293 @example
6294 e += mystring("GiNaC rulez"); 
6295 cout << e << endl;
6296  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
6297 @end example
6298
6299 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
6300
6301 @example
6302 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
6303 cout << e << endl;
6304  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
6305 @end example
6306
6307 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
6308 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
6309 for your objects.
6310
6311 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
6312
6313 @example
6314 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
6315 cout << e << endl;
6316  // -> "Wow"^2
6317
6318 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
6319 cout << e.expand() << endl;
6320  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
6321 @end example
6322
6323 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
6324 concatenation. You would have to implement this yourself.
6325
6326 @subsection Automatic evaluation
6327
6328 @cindex evaluation
6329 @cindex @code{eval()}
6330 @cindex @code{hold()}
6331 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
6332 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
6333 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
6334 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
6335 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
6336 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
6337
6338 @example
6339 class mystring : public basic
6340 @{
6341     ...
6342 public:
6343     ex eval(int level = 0) const;
6344     ...
6345 @};
6346
6347 ex mystring::eval(int level) const
6348 @{
6349     string new_str;
6350     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
6351         char c = str[i];
6352         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
6353             new_str += tolower(c);
6354         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
6355             new_str += c;
6356     @}
6357
6358     if (new_str.length() == 0)
6359         return 0;
6360     else
6361         return mystring(new_str).hold();
6362 @}
6363 @end example
6364
6365 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
6366 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
6367 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
6368 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
6369 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
6370 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
6371 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
6372 unmodified, use @code{return this->hold();}.
6373
6374 Let's confirm that it works:
6375
6376 @example
6377 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
6378 cout << e << endl;
6379  // -> "helloworld"
6380
6381 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
6382 cout << e << endl;
6383  // -> 3*"wow"
6384 @end example
6385
6386 @subsection Optional member functions
6387
6388 We have implemented only a small set of member functions to make the class
6389 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
6390 required but will make operations with objects of the class more efficient:
6391
6392 @cindex @code{calchash()}
6393 @cindex @code{is_equal_same_type()}
6394 @example
6395 unsigned calchash() const;
6396 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
6397 @end example
6398
6399 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
6400 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
6401 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
6402 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
6403 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
6404 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
6405
6406 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
6407 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
6408 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
6409 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
6410
6411 @subsection Other member functions
6412
6413 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
6414 might want to provide:
6415
6416 @example
6417 bool info(unsigned inf) const;
6418 ex evalf(int level = 0) const;
6419 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
6420 ex derivative(const symbol & s) const;
6421 @end example
6422
6423 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
6424 previous section) you will probably want to override
6425
6426 @cindex @code{let_op()}
6427 @example
6428 size_t nops() cont;
6429 ex op(size_t i) const;
6430 ex & let_op(size_t i);
6431 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
6432 ex map(map_function & f) const;
6433 @end example
6434
6435 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
6436 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
6437 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
6438
6439 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
6440 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
6441 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
6442 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
6443 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
6444 should become a need.
6445
6446 That's it. May the source be with you!
6447
6448
6449 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
6450 @c    node-name, next, previous, up
6451 @chapter A Comparison With Other CAS
6452 @cindex advocacy
6453
6454 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
6455 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
6456 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
6457 disadvantages over these systems.
6458
6459 @menu
6460 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
6461 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
6462 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
6463 @end menu
6464
6465 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
6466 @c    node-name, next, previous, up
6467 @section Advantages
6468
6469 GiNaC has several advantages over traditional Computer
6470 Algebra Systems, like 
6471
6472 @itemize @bullet
6473
6474 @item
6475 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
6476 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
6477 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
6478 in common C++, which is standardized.
6479
6480 @cindex STL
6481 @item
6482 structured data types: you can build up structured data types using
6483 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
6484 using unnamed lists of lists of lists.
6485
6486 @item
6487 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
6488 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
6489 nice for novice programmers, but dangerous.
6490     
6491 @item
6492 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
6493 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
6494 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
6495
6496 @item
6497 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
6498 separating interface and implementation.
6499
6500 @item
6501 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
6502 that it is free and available with source code.  And there are excellent
6503 C++-compilers for free, too.
6504     
6505 @item
6506 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
6507 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
6508 usually only extend on a high level by writing in the language defined
6509 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
6510 fix bugs in a traditional system.
6511
6512 @item
6513 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
6514 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
6515 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
6516 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
6517 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
6518 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
6519 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
6520 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
6521 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
6522 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
6523 FTP-site.
6524
6525 @item
6526 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
6527 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
6528 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
6529 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
6530 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
6531 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
6532 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
6533 system (i.e. @emph{Yacas}).
6534
6535 @item
6536 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
6537 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
6538 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
6539 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
6540 speed with other CAS.
6541
6542 @end itemize
6543
6544
6545 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
6546 @c    node-name, next, previous, up
6547 @section Disadvantages
6548
6549 Of course it also has some disadvantages:
6550
6551 @itemize @bullet
6552
6553 @item
6554 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
6555 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
6556 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
6557 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
6558 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
6559 not planned for the near future).
6560
6561 @item
6562 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
6563 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
6564 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
6565 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
6566 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
6567 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
6568 macros to let the compiler gather all static initializations, which
6569 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
6570 really believe that you need to use a different compiler.  We have
6571 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
6572 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
6573 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
6574 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
6575 yet ANSI compliant, support all needed features.
6576     
6577 @end itemize
6578
6579
6580 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
6581 @c    node-name, next, previous, up
6582 @section Why C++?
6583
6584 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
6585 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
6586 possible), separation between interface and implementation is not
6587 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
6588 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
6589 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
6590 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
6591 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
6592 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
6593 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
6594 any other programming language.
6595
6596
6597 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
6598 @c    node-name, next, previous, up
6599 @appendix Internal Structures
6600
6601 @menu
6602 * Expressions are reference counted::
6603 * Internal representation of products and sums::
6604 @end menu
6605
6606 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
6607 @c    node-name, next, previous, up
6608 @appendixsection Expressions are reference counted
6609
6610 @cindex reference counting
6611 @cindex copy-on-write
6612 @cindex garbage collection
6613 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
6614 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
6615 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
6616 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
6617 skip the rest of this passage.
6618
6619 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
6620 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
6621 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
6622 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
6623 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
6624 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
6625 of code:
6626
6627 @example
6628 #include <iostream>
6629 #include <ginac/ginac.h>
6630 using namespace std;
6631 using namespace GiNaC;
6632
6633 int main()
6634 @{
6635     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6636     ex e1, e2;
6637
6638     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6639     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
6640     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
6641     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
6642     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
6643 @}
6644 @end example
6645
6646 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
6647 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
6648 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
6649 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
6650 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
6651 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
6652 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
6653 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
6654 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
6655 the object it points to too and deletes the object from memory if that
6656 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
6657 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
6658 can be:
6659
6660 @example
6661 @{
6662     symbol x("x"), y("y");
6663
6664     ex e1 = x + 3*y;
6665     ex e2 = pow(e1, 3);
6666     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
6667     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
6668          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
6669          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
6670 @}
6671 @end example
6672
6673 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
6674 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
6675 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
6676 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
6677 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
6678 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
6679 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
6680 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
6681 @code{3*e1^2}.
6682
6683 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
6684 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
6685 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
6686 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
6687 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
6688 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
6689 semantics, we recommend you have a look at the
6690 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
6691 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
6692 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
6693
6694
6695 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
6696 @c    node-name, next, previous, up
6697 @appendixsection Internal representation of products and sums
6698
6699 @cindex representation
6700 @cindex @code{add}
6701 @cindex @code{mul}
6702 @cindex @code{power}
6703 Although it should be completely transparent for the user of
6704 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
6705 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
6706 unexpanded symbolic expression 
6707 @tex
6708 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
6709 @end tex
6710 @ifnottex
6711 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
6712 @end ifnottex
6713 which could naively be represented by a tree of linear containers for
6714 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
6715 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
6716 fashion:
6717
6718 @image{repnaive}
6719
6720 @cindex pair-wise representation
6721 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
6722 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
6723 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
6724 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
6725 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
6726 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
6727 becomes much more flat:
6728
6729 @image{reppair}
6730
6731 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
6732 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
6733 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
6734 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
6735 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
6736 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
6737 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
6738 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
6739 representation, however, since they are still carrying a trivial
6740 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
6741 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
6742 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
6743 representation for
6744 @tex
6745 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
6746 @end tex
6747 @ifnottex
6748 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
6749 @end ifnottex
6750
6751 @image{repreal}
6752
6753 @cindex radical
6754 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
6755 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
6756 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
6757 same abstract class: the data representation is the same, only the
6758 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
6759 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
6760 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
6761
6762
6763 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
6764 @c    node-name, next, previous, up
6765 @appendix Package Tools
6766
6767 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
6768 setting the correct command line options for the compiler and linker
6769 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
6770
6771 @menu
6772 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
6773 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
6774 @end menu
6775
6776
6777 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
6778 @c    node-name, next, previous, up
6779 @section @command{ginac-config}
6780 @cindex ginac-config
6781
6782 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
6783 the compiler and linker command line options required to compile and
6784 link a program with the GiNaC library.
6785
6786 @command{ginac-config} takes the following flags:
6787
6788 @table @samp
6789 @item --version
6790 Prints out the version of GiNaC installed.
6791 @item --cppflags
6792 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
6793 @item --libs
6794 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
6795 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
6796 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
6797 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
6798 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
6799 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
6800 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
6801 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
6802 @end table
6803
6804 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
6805 script, as described below. It, however, can also be used directly from
6806 the command line using backquotes to compile a simple program. For
6807 example:
6808
6809 @example
6810 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
6811 @end example
6812
6813 This command line might expand to (for example):
6814
6815 @example
6816 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
6817   -lginac -lcln -lstdc++
6818 @end example
6819
6820 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
6821 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
6822
6823
6824 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
6825 @c    node-name, next, previous, up
6826 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
6827 @cindex AM_PATH_GINAC
6828
6829 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
6830 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
6831
6832 @example
6833 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
6834 @end example
6835
6836 This macro:
6837
6838 @itemize @bullet
6839
6840 @item
6841 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
6842 either found in the user's path, or from the environment variable
6843 @env{GINACLIB_CONFIG}.
6844
6845 @item
6846 Tests the installed libraries to make sure that their version
6847 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
6848 if not specified)
6849
6850 @item
6851 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
6852 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
6853 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
6854 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
6855 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
6856
6857 @item
6858 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
6859 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
6860
6861 @end itemize
6862
6863 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
6864 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
6865 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
6866 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
6867 aclocal the @samp{-I} option when running it.
6868
6869 @menu
6870 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
6871 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
6872 @end menu
6873
6874
6875 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
6876 @c    node-name, next, previous, up
6877 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
6878
6879 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
6880 the configure script.
6881
6882 Notes:
6883
6884 @itemize @bullet
6885
6886 @item
6887 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
6888 to be found by your system's dynamic linker.
6889   
6890 This is generally done by
6891
6892 @display
6893 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
6894 @end display
6895
6896 or by
6897    
6898 @display
6899 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
6900 @end display
6901
6902 or, as a last resort, 
6903  
6904 @display
6905 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
6906 running configure, for instance:
6907
6908 @example
6909 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
6910 @end example
6911 @end display
6912
6913 @item
6914 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
6915 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
6916 name of the executable
6917
6918 @item
6919 If you move the GiNaC package from its installed location,
6920 you will either need to modify @command{ginac-config} script
6921 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
6922
6923 @end itemize
6924
6925 Advanced note:
6926
6927 @itemize @bullet
6928 @item
6929 configure flags
6930   
6931 @example
6932 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
6933 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
6934 @end example
6935
6936 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
6937 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
6938 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
6939 @end itemize
6940
6941
6942 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
6943 @c    node-name, next, previous, up
6944 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
6945
6946 The following shows how to build a simple package using automake
6947 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
6948
6949 @example
6950 #include <ginac/ginac.h>
6951
6952 int main()
6953 @{
6954     GiNaC::symbol x("x");
6955     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
6956     std::cout << "Derivative of " << a 
6957               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
6958     return 0;
6959 @}
6960 @end example
6961
6962 You should first read the introductory portions of the automake
6963 Manual, if you are not already familiar with it.
6964
6965 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
6966 configure script:
6967
6968 @example
6969 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
6970 AC_INIT(simple.cpp)
6971 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
6972
6973 AC_PROG_CXX
6974 AC_PROG_INSTALL
6975 AC_LANG_CPLUSPLUS
6976
6977 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
6978   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
6979   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
6980 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
6981
6982 AC_OUTPUT(Makefile)
6983 @end example
6984
6985 The only command in this which is not standard for automake
6986 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
6987
6988 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
6989 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
6990 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
6991 the error message `need to have GiNaC installed'
6992
6993 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
6994
6995 @example
6996 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
6997 bin_PROGRAMS = simple
6998 simple_SOURCES = simple.cpp
6999 @end example
7000
7001 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
7002 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
7003 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
7004 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
7005 want to specify them on a per-program basis: for instance by
7006 adding the lines:
7007
7008 @example
7009 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
7010 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
7011 @end example
7012
7013 to the @file{Makefile.am}.
7014
7015 To try this example out, create a new directory and add the three
7016 files above to it.
7017
7018 Now execute the following commands:
7019
7020 @example
7021 $ automake --add-missing
7022 $ aclocal
7023 $ autoconf
7024 @end example
7025
7026 You now have a package that can be built in the normal fashion
7027
7028 @example
7029 $ ./configure
7030 $ make
7031 $ make install
7032 @end example
7033
7034
7035 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
7036 @c    node-name, next, previous, up
7037 @appendix Bibliography
7038
7039 @itemize @minus{}
7040
7041 @item
7042 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
7043
7044 @item
7045 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
7046
7047 @item
7048 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
7049
7050 @item
7051 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
7052
7053 @item
7054 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
7055 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
7056
7057 @item
7058 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
7059 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
7060 Academic Press, London
7061
7062 @item
7063 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
7064 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
7065
7066 @item
7067 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
7068 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
7069
7070 @item
7071 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
7072 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
7073
7074 @item
7075 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
7076
7077 @end itemize
7078
7079
7080 @node Concept Index, , Bibliography, Top
7081 @c    node-name, next, previous, up
7082 @unnumbered Concept Index
7083
7084 @printindex cp
7085
7086 @bye