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