]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Happy New Year!
[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 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2019 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{} 1999-2019 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{http://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
488 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
489 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
490 continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval() const;
842 ex basic::eval() const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1150 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1151 @cindex @code{get_name()}
1152 @cindex @code{get_TeX_name()}
1153 @example
1154 symbol::get_name() const;
1155 symbol::get_TeX_name() const;
1156 @end example
1157
1158 @cindex @code{subs()}
1159 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1160 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1161 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1162 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1163 (@pxref{Substituting expressions}).
1164
1165 @cindex @code{realsymbol()}
1166 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1167 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1168 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1169 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1170 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1171 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1172 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1173 allows you to specify
1174 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1175 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1176
1177 @cindex @code{possymbol()}
1178 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1179 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1180 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1181
1182
1183 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1184 @c    node-name, next, previous, up
1185 @section Numbers
1186 @cindex @code{numeric} (class)
1187
1188 @cindex GMP
1189 @cindex CLN
1190 @cindex rational
1191 @cindex fraction
1192 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1193 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1194 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1195 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1196 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1197 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1198 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1199 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1200 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1201 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1202 several useful things: First, it introduces the complex number field
1203 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1204 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1205 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1206 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1207 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1208 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1209 calculation of some useful constants.
1210
1211 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1212 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1213 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1214 integers, construction from C-float and construction from a string:
1215
1216 @example
1217 #include <iostream>
1218 #include <ginac/ginac.h>
1219 using namespace GiNaC;
1220
1221 int main()
1222 @{
1223     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1224     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1225     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1226     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1227     // Trott's constant in scientific notation:
1228     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1229     
1230     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1231     ...
1232 @end example
1233
1234 @cindex @code{I}
1235 @cindex complex numbers
1236 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1237 name @code{I}:
1238
1239 @example
1240     ...
1241     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1242     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1243 @}
1244 @end example
1245
1246 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1247 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1248 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1249 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1250 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1251 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1252 also.
1253
1254 @cindex @code{Digits}
1255 @cindex accuracy
1256 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1257 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1258 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1259 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1260 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1261 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1262 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1263 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1264 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1265 digits:
1266
1267 @example
1268 #include <iostream>
1269 #include <ginac/ginac.h>
1270 using namespace std;
1271 using namespace GiNaC;
1272
1273 void foo()
1274 @{
1275     numeric three(3.0), one(1.0);
1276     numeric x = one/three;
1277
1278     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1279     cout << x << endl;
1280     cout << Pi.evalf() << endl;
1281 @}
1282
1283 int main()
1284 @{
1285     foo();
1286     Digits = 60;
1287     foo();
1288     return 0;
1289 @}
1290 @end example
1291
1292 The above example prints the following output to screen:
1293
1294 @example
1295 in 17 digits:
1296 0.33333333333333333334
1297 3.1415926535897932385
1298 in 60 digits:
1299 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1300 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1301 @end example
1302
1303 @cindex rounding
1304 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1305 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1306 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1307 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1308 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1309 architectures with different word size, the above output might even
1310 differ with regard to actually computed digits.
1311
1312 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1313 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1314 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1315
1316 @subsection Tests on numbers
1317
1318 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1319 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1320 kind of information from them like asking whether that number is
1321 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1322 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1323 certain CLN functions.)
1324
1325 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1326 some multiple of its denominator and test what comes out:
1327
1328 @example
1329 #include <iostream>
1330 #include <ginac/ginac.h>
1331 using namespace std;
1332 using namespace GiNaC;
1333
1334 // some very important constants:
1335 const numeric twentyone(21);
1336 const numeric ten(10);
1337 const numeric five(5);
1338
1339 int main()
1340 @{
1341     numeric answer = twentyone;
1342
1343     answer /= five;
1344     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1345     answer *= ten;
1346     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1347 @}
1348 @end example
1349
1350 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1351 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1352 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1353 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1354 the result is automatically converted to a pure integer again.
1355 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1356 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1357 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1358 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1359 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1360 can be applied is listed in the following table.
1361
1362 @cartouche
1363 @multitable @columnfractions .30 .70
1364 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1365 @item @code{.is_zero()}
1366 @tab @dots{}equal to zero
1367 @item @code{.is_positive()}
1368 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1369 @item @code{.is_negative()}
1370 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1371 @item @code{.is_integer()}
1372 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1373 @item @code{.is_pos_integer()}
1374 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1375 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1376 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1377 @item @code{.is_even()}
1378 @tab @dots{}an even integer
1379 @item @code{.is_odd()}
1380 @tab @dots{}an odd integer
1381 @item @code{.is_prime()}
1382 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1383 @item @code{.is_rational()}
1384 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1385 @item @code{.is_real()}
1386 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1387 @item @code{.is_cinteger()}
1388 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1389 @item @code{.is_crational()}
1390 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1391 @end multitable
1392 @end cartouche
1393
1394 @page
1395
1396 @subsection Numeric functions
1397
1398 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1399 evaluated immediately:
1400
1401 @cartouche
1402 @multitable @columnfractions .30 .70
1403 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1404 @item @code{inverse(z)}
1405 @tab returns @math{1/z}
1406 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1407 @item @code{pow(a, b)}
1408 @tab exponentiation @math{a^b}
1409 @item @code{abs(z)}
1410 @tab absolute value
1411 @item @code{real(z)}
1412 @tab real part
1413 @cindex @code{real()}
1414 @item @code{imag(z)}
1415 @tab imaginary part
1416 @cindex @code{imag()}
1417 @item @code{csgn(z)}
1418 @tab complex sign (returns an @code{int})
1419 @item @code{step(x)}
1420 @tab step function (returns an @code{numeric})
1421 @item @code{numer(z)}
1422 @tab numerator of rational or complex rational number
1423 @item @code{denom(z)}
1424 @tab denominator of rational or complex rational number
1425 @item @code{sqrt(z)}
1426 @tab square root
1427 @item @code{isqrt(n)}
1428 @tab integer square root
1429 @cindex @code{isqrt()}
1430 @item @code{sin(z)}
1431 @tab sine
1432 @item @code{cos(z)}
1433 @tab cosine
1434 @item @code{tan(z)}
1435 @tab tangent
1436 @item @code{asin(z)}
1437 @tab inverse sine
1438 @item @code{acos(z)}
1439 @tab inverse cosine
1440 @item @code{atan(z)}
1441 @tab inverse tangent
1442 @item @code{atan(y, x)}
1443 @tab inverse tangent with two arguments
1444 @item @code{sinh(z)}
1445 @tab hyperbolic sine
1446 @item @code{cosh(z)}
1447 @tab hyperbolic cosine
1448 @item @code{tanh(z)}
1449 @tab hyperbolic tangent
1450 @item @code{asinh(z)}
1451 @tab inverse hyperbolic sine
1452 @item @code{acosh(z)}
1453 @tab inverse hyperbolic cosine
1454 @item @code{atanh(z)}
1455 @tab inverse hyperbolic tangent
1456 @item @code{exp(z)}
1457 @tab exponential function
1458 @item @code{log(z)}
1459 @tab natural logarithm
1460 @item @code{Li2(z)}
1461 @tab dilogarithm
1462 @item @code{zeta(z)}
1463 @tab Riemann's zeta function
1464 @item @code{tgamma(z)}
1465 @tab gamma function
1466 @item @code{lgamma(z)}
1467 @tab logarithm of gamma function
1468 @item @code{psi(z)}
1469 @tab psi (digamma) function
1470 @item @code{psi(n, z)}
1471 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1472 @item @code{factorial(n)}
1473 @tab factorial function @math{n!}
1474 @item @code{doublefactorial(n)}
1475 @tab double factorial function @math{n!!}
1476 @cindex @code{doublefactorial()}
1477 @item @code{binomial(n, k)}
1478 @tab binomial coefficients
1479 @item @code{bernoulli(n)}
1480 @tab Bernoulli numbers
1481 @cindex @code{bernoulli()}
1482 @item @code{fibonacci(n)}
1483 @tab Fibonacci numbers
1484 @cindex @code{fibonacci()}
1485 @item @code{mod(a, b)}
1486 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1487 @cindex @code{mod()}
1488 @item @code{smod(a, b)}
1489 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1490 @cindex @code{smod()}
1491 @item @code{irem(a, b)}
1492 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1493 @cindex @code{irem()}
1494 @item @code{irem(a, b, q)}
1495 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1496 @item @code{iquo(a, b)}
1497 @tab integer quotient
1498 @cindex @code{iquo()}
1499 @item @code{iquo(a, b, r)}
1500 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1501 @item @code{gcd(a, b)}
1502 @tab greatest common divisor
1503 @item @code{lcm(a, b)}
1504 @tab least common multiple
1505 @end multitable
1506 @end cartouche
1507
1508 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1509 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1510 as polynomial algorithms.
1511
1512 @subsection Converting numbers
1513
1514 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1515 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1516 class provides a couple of methods for this purpose:
1517
1518 @cindex @code{to_int()}
1519 @cindex @code{to_long()}
1520 @cindex @code{to_double()}
1521 @cindex @code{to_cl_N()}
1522 @example
1523 int numeric::to_int() const;
1524 long numeric::to_long() const;
1525 double numeric::to_double() const;
1526 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1527 @end example
1528
1529 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1530 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1531 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1532 rational number will return a floating-point approximation. Both
1533 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1534 part of complex numbers.
1535
1536
1537 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1538 @c    node-name, next, previous, up
1539 @section Constants
1540 @cindex @code{constant} (class)
1541
1542 @cindex @code{Pi}
1543 @cindex @code{Catalan}
1544 @cindex @code{Euler}
1545 @cindex @code{evalf()}
1546 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1547 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1548
1549 The predefined known constants are:
1550
1551 @cartouche
1552 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1553 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1554 @item @code{Pi}
1555 @tab Archimedes' constant
1556 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1557 @item @code{Catalan}
1558 @tab Catalan's constant
1559 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1560 @item @code{Euler}
1561 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1562 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1563 @end multitable
1564 @end cartouche
1565
1566
1567 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1568 @c    node-name, next, previous, up
1569 @section Sums, products and powers
1570 @cindex polynomial
1571 @cindex @code{add}
1572 @cindex @code{mul}
1573 @cindex @code{power}
1574
1575 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1576 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1577 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1578 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1579 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1580 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1581 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1582 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1583
1584 @example
1585     ...
1586     symbol a("a"), b("b");
1587     ex MyTerm = 1+a*b;
1588     ...
1589 @end example
1590
1591 @cindex @code{pow()}
1592 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1593 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1594 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1595 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1596 have several counterintuitive and undesired effects:
1597
1598 @itemize @bullet
1599 @item
1600 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1601 @item
1602 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1603 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1604 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1605 @item
1606 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1607 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1608 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1609 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1610 has requested @code{2^3}.)
1611 @end itemize
1612
1613 @cindex @command{ginsh}
1614 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1615 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1616 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1617 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1618 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1619 not exist at all in C++).
1620
1621 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1622 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1623 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1624 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1625 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1626 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1627 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1628 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1629 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1630 @code{x} negative.
1631
1632 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1633 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1634 and safe simplifications are carried out like transforming
1635 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1636
1637
1638 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1639 @c    node-name, next, previous, up
1640 @section Lists of expressions
1641 @cindex @code{lst} (class)
1642 @cindex lists
1643 @cindex @code{nops()}
1644 @cindex @code{op()}
1645 @cindex @code{append()}
1646 @cindex @code{prepend()}
1647 @cindex @code{remove_first()}
1648 @cindex @code{remove_last()}
1649 @cindex @code{remove_all()}
1650
1651 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1652 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1653 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1654 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1655 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1656
1657 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1658
1659 @example
1660 @{
1661     symbol x("x"), y("y");
1662     lst l;
1663     l = @{x, 2, y, x+y@};
1664     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1665     // in that order
1666     ...
1667 @end example
1668
1669 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1670 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1671 individual elements:
1672
1673 @example
1674     ...
1675     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1676     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1677     ...
1678 @end example
1679
1680 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1681 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1682 sequential access to the elements of a list is possible with the
1683 iterator types provided by the @code{lst} class:
1684
1685 @example
1686 typedef ... lst::const_iterator;
1687 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1688 lst::const_iterator lst::begin() const;
1689 lst::const_iterator lst::end() const;
1690 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1691 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1692 @end example
1693
1694 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1695
1696 @example
1697     ...
1698     // O(N)
1699     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1700         cout << *i << endl;
1701     ...
1702 @end example
1703
1704 which is one order faster than
1705
1706 @example
1707     ...
1708     // O(N^2)
1709     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1710         cout << l.op(i) << endl;
1711     ...
1712 @end example
1713
1714 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1715 the C++ standard library:
1716
1717 @example
1718     ...
1719     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1720     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1721
1722     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1723     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1724     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1725     ...
1726 @end example
1727
1728 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1729 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1730
1731 @example
1732     ...
1733     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1734     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1735     ...
1736 @end example
1737
1738 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1739 and @code{prepend()} methods:
1740
1741 @example
1742     ...
1743     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1744     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1745     ...
1746 @end example
1747
1748 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1749 and @code{remove_last()}:
1750
1751 @example
1752     ...
1753     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1754     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1755     ...
1756 @end example
1757
1758 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1759
1760 @example
1761     ...
1762     l.remove_all();     // l is now empty
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1767
1768 @example
1769     ...
1770     lst l1, l2;
1771     l1 = x, 2, y, x+y;
1772     l2 = 2, x+y, x, y;
1773     l1.sort();
1774     l2.sort();
1775     // l1 and l2 are now equal
1776     ...
1777 @end example
1778
1779 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1780 elements with @code{unique()}:
1781
1782 @example
1783     ...
1784     lst l3;
1785     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1786     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1787 @}
1788 @end example
1789
1790
1791 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1792 @c    node-name, next, previous, up
1793 @section Mathematical functions
1794 @cindex @code{function} (class)
1795 @cindex trigonometric function
1796 @cindex hyperbolic function
1797
1798 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1799 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1800 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1801
1802 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1803 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1804 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1805 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1806 the next example, showing how a function returns itself twice and
1807 finally an expression that may be really useful:
1808
1809 @cindex Gamma function
1810 @cindex @code{subs()}
1811 @example
1812     ...
1813     symbol x("x"), y("y");    
1814     ex foo = x+y/2;
1815     cout << tgamma(foo) << endl;
1816      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1817     ex bar = foo.subs(y==1);
1818     cout << tgamma(bar) << endl;
1819      // -> tgamma(x+1/2)
1820     ex foobar = bar.subs(x==7);
1821     cout << tgamma(foobar) << endl;
1822      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1823     ...
1824 @end example
1825
1826 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1827 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1828 this.
1829
1830 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1831 functions, where the argument list is templated.  This means that
1832 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1833 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1834 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1835 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1836 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1837 point number of class @code{numeric} you should call
1838 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1839 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1840 wrapped inside an @code{ex}.
1841
1842
1843 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1844 @c    node-name, next, previous, up
1845 @section Relations
1846 @cindex @code{relational} (class)
1847
1848 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1849 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1850 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1851 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1852 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1853 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1854
1855 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1856 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1857 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1858 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1859 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1860 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1861 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1862 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1863 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1864 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1865 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1866 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1867 @code{expand()} must be called explicitly.
1868
1869 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1870 @c    node-name, next, previous, up
1871 @section Integrals
1872 @cindex @code{integral} (class)
1873
1874 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1875 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1876 1, you would write this as
1877 @example
1878 integral(x, 0, 1, x*x)
1879 @end example
1880 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1881 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1882 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1883 can be evaluated symbolically by calling the
1884 @example
1885 .eval_integ()
1886 @end example
1887 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1888 @example
1889 .evalf()
1890 @end example
1891 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1892 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1893 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1894 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1895 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1896 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1897 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1898 integrals is determined by the static member variable
1899 @example
1900 ex integral::relative_integration_error
1901 @end example
1902 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1903 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1904 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1905 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1906 variable
1907 @example
1908 int integral::max_integration_level
1909 @end example
1910 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1911 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1912 evaluation, is also available as
1913 @example
1914 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1915                    const ex & error)
1916 @end example
1917 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1918 last parameter of the function is optional and defaults to the
1919 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1920 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1921 a lookup table is used.
1922
1923 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1924 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1925 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1926 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1927 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1928 with respect to the integration variable.
1929
1930 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1931 @c    node-name, next, previous, up
1932 @section Matrices
1933 @cindex @code{matrix} (class)
1934
1935 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1936 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1937 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1938 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1939
1940 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1941 elements. The constructor
1942
1943 @example
1944 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1945 @end example
1946
1947 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1948 set to zero.
1949
1950 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1951 initializer lists, all of the same size:
1952
1953 @example
1954 @{
1955     matrix m = @{@{1, -a@},
1956                 @{a,  1@}@};
1957 @}
1958 @end example
1959
1960 You can also specify the elements as a (flat) list with
1961
1962 @example
1963 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1964 @end example
1965
1966 The function
1967
1968 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1969 @example
1970 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1971 @end example
1972
1973 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1974
1975 There is also a set of functions for creating some special types of
1976 matrices:
1977
1978 @cindex @code{diag_matrix()}
1979 @cindex @code{unit_matrix()}
1980 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1981 @example
1982 ex diag_matrix(const lst & l);
1983 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
1984 ex unit_matrix(unsigned x);
1985 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1986 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1987 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1988                    const string & tex_base_name);
1989 @end example
1990
1991 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
1992 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1993 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1994 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1995 and the position of each element in the matrix.
1996
1997 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1998 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1999 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
2000 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
2001 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
2002 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2003
2004 @cindex @code{sub_matrix()}
2005 @cindex @code{reduced_matrix()}
2006 @example
2007 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2008 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2009 @end example
2010
2011 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2012 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2013 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2014 that specify which row and column to remove:
2015
2016 @example
2017 @{
2018     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2019                 @{21, 22, 23@},
2020                 @{31, 32, 33@}@};
2021     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2022     // -> [[11,13],[31,33]]
2023     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2024     // -> [[22,23],[32,33]]
2025 @}
2026 @end example
2027
2028 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2029 operator:
2030
2031 @example
2032 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2033 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2034 @end example
2035
2036 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2037 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2038 @samp{[]} is not available.
2039
2040 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2041
2042 @example
2043 @{
2044     symbol a("a"), b("b");
2045
2046     matrix M = @{@{a, 0@},
2047                 @{0, b@}@};
2048     cout << M << endl;
2049      // -> [[a,0],[0,b]]
2050
2051     matrix M2(2, 2);
2052     M2(0, 0) = a;
2053     M2(1, 1) = b;
2054     cout << M2 << endl;
2055      // -> [[a,0],[0,b]]
2056
2057     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2058      // -> [[a,0],[0,b]]
2059
2060     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2061      // -> [[a,0],[0,b]]
2062
2063     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2064      // -> [[a,0],[0,b]]
2065
2066     cout << unit_matrix(3) << endl;
2067      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2068
2069     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2070      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2071 @}
2072 @end example
2073
2074 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2075 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2076 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2077 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2078 expression is zero or a zero matrix.
2079
2080 @cindex @code{transpose()}
2081 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2082 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2083
2084 @example
2085 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2086 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2087 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2088 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2089 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2090 matrix matrix::transpose() const;
2091 @end example
2092
2093 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2094 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2095 and @math{C}:
2096
2097 @example
2098 @{
2099     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2100                 @{ 3, 4@}@};
2101     matrix B = @{@{-1, 0@},
2102                 @{ 2, 1@}@};
2103     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2104                 @{ 2, 1@}@};
2105
2106     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2107     cout << result << endl;
2108      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2109     ...
2110 @}
2111 @end example
2112
2113 @cindex @code{evalm()}
2114 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2115 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2116 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2117 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2118 method
2119
2120 @example
2121 ex ex::evalm() const;
2122 @end example
2123
2124 to obtain the result:
2125
2126 @example
2127 @{
2128     ...
2129     ex e = A*B - 2*C;
2130     cout << e << endl;
2131      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2132     cout << e.evalm() << endl;
2133      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2134     ...
2135 @}
2136 @end example
2137
2138 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2139 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2140 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2141 dealing with non-commutative expressions.
2142
2143 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2144 to perform the arithmetic:
2145
2146 @example
2147 @{
2148     ...
2149     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2150     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2151     cout << e << endl;
2152      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2153     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2154      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2155 @}
2156 @end example
2157
2158 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2159 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2160 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2161 more information about using matrices with indices, and about indices in
2162 general.
2163
2164 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2165 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2166
2167 @cindex @code{determinant()}
2168 @cindex @code{trace()}
2169 @cindex @code{charpoly()}
2170 @cindex @code{rank()}
2171 @example
2172 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2173 ex matrix::trace() const;
2174 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2175 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2176 @end example
2177
2178 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2179 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2180 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2181 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2182 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2183 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2184 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2185 to give the result most quickly.
2186
2187 @cindex @code{solve()}
2188 Linear systems can be solved with:
2189
2190 @example
2191 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2192                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2193 @end example
2194
2195 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2196 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2197 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2198 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2199 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2200 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2201 overdetermined, an exception is thrown.
2202
2203 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2204 To invert a matrix, use the method:
2205
2206 @example
2207 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2208 @end example
2209
2210 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2211 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2212
2213 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2214 @c    node-name, next, previous, up
2215 @section Indexed objects
2216
2217 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2218 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2219 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2220 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2221
2222 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2223 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2224 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2225 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2226
2227 @cindex @code{idx} (class)
2228 @cindex @code{indexed} (class)
2229 @subsection Indexed quantities and their indices
2230
2231 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2232 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2233
2234 @itemize @bullet
2235
2236 @cindex contravariant
2237 @cindex covariant
2238 @cindex variance
2239 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2240 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2241 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2242 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2243 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2244 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2245
2246 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2247 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2248 one or more indices.
2249
2250 @end itemize
2251
2252 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2253 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2254 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2255 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2256 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2257 not visible in the output.
2258
2259 A simple example shall illustrate the concepts:
2260
2261 @example
2262 #include <iostream>
2263 #include <ginac/ginac.h>
2264 using namespace std;
2265 using namespace GiNaC;
2266
2267 int main()
2268 @{
2269     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2270     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2271
2272     symbol A("A");
2273     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2274      // -> A.i.j
2275     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2276      // -> A.i[3].j[3]
2277     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2278     ...
2279 @end example
2280
2281 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2282 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2283 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2284 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2285 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2286 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2287 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2288 @code{j}.
2289
2290 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2291 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2292 as shown above.
2293
2294 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2295 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2296 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2297 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2298 correct and will raise an exception:
2299
2300 @example
2301 symbol i("i"), j("j");
2302 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2303 @end example
2304
2305 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2306 be numeric, and index dimensions symbolic:
2307
2308 @example
2309     ...
2310     symbol B("B"), dim("dim");
2311     cout << 4 * indexed(A, i)
2312           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2313      // -> B.j.2.i+4*A.i
2314     ...
2315 @end example
2316
2317 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2318 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2319 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2320 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2321 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2322
2323 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2324 arbitrary expressions:
2325
2326 @example
2327     ...
2328     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2329      // -> (B+A).(1+2*i)
2330     ...
2331 @end example
2332
2333 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2334 get an error message from this but you will probably not be able to do
2335 anything useful with it.
2336
2337 @cindex @code{get_value()}
2338 @cindex @code{get_dim()}
2339 The methods
2340
2341 @example
2342 ex idx::get_value();
2343 ex idx::get_dim();
2344 @end example
2345
2346 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2347 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2348 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2349 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2350
2351 There are also the methods
2352
2353 @example
2354 bool idx::is_numeric();
2355 bool idx::is_symbolic();
2356 bool idx::is_dim_numeric();
2357 bool idx::is_dim_symbolic();
2358 @end example
2359
2360 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2361 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2362 about expressions}) returns information about the index value.
2363
2364 @cindex @code{varidx} (class)
2365 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2366
2367 @example
2368     ...
2369     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2370     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2371     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2372
2373     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2374      // -> A~mu~nu
2375     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2376      // -> A.mu~nu
2377     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2378      // -> A.mu~nu
2379     ...
2380 @end example
2381
2382 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2383 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2384 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2385 constructor. The two methods
2386
2387 @example
2388 bool varidx::is_covariant();
2389 bool varidx::is_contravariant();
2390 @end example
2391
2392 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2393 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2394 method
2395
2396 @example
2397 ex varidx::toggle_variance();
2398 @end example
2399
2400 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2401 variance. By using it you only have to define the index once.
2402
2403 @cindex @code{spinidx} (class)
2404 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2405 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2406
2407 @example
2408     ...
2409     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2410     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2411                                             // contravariant, undotted
2412     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2413     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2414     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2415
2416     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2417      // -> K~C~D
2418     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2419      // -> K.C~*D
2420     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2421      // -> K.*D~D
2422     ...
2423 @end example
2424
2425 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2426 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2427 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2428 methods
2429
2430 @example
2431 bool spinidx::is_dotted();
2432 bool spinidx::is_undotted();
2433 @end example
2434
2435 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2436 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2437 Finally, the two methods
2438
2439 @example
2440 ex spinidx::toggle_dot();
2441 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2442 @end example
2443
2444 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2445 and the same or opposite variance.
2446
2447 @subsection Substituting indices
2448
2449 @cindex @code{subs()}
2450 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2451 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2452 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2453 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2454
2455 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2456 by another index or expression:
2457
2458 @example
2459     ...
2460     ex e = indexed(A, mu_co);
2461     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2462      // -> A.mu becomes A~nu
2463     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2464      // -> A.mu becomes A~0
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2466      // -> A.mu becomes A.0
2467     ...
2468 @end example
2469
2470 The third example shows that trying to replace an index with something that
2471 is not an index will substitute the index value instead.
2472
2473 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2474 another expression:
2475
2476 @example
2477     ...
2478     ex e = indexed(A, mu_co);
2479     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2480      // -> A.mu becomes A.nu
2481     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2482      // -> A.mu becomes A.0
2483     ...
2484 @end example
2485
2486 As you see, with the second method only the value of the index will get
2487 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2488 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2489 whole index by another one with the new dimension.
2490
2491 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2492 expected:
2493
2494 @example
2495     ...
2496     ex e = indexed(A, mu_co);
2497     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2498      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2499     ...
2500 @end example
2501
2502 @subsection Symmetries
2503 @cindex @code{symmetry} (class)
2504 @cindex @code{sy_none()}
2505 @cindex @code{sy_symm()}
2506 @cindex @code{sy_anti()}
2507 @cindex @code{sy_cycl()}
2508
2509 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2510 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2511 that is constructed with the helper functions
2512
2513 @example
2514 symmetry sy_none(...);
2515 symmetry sy_symm(...);
2516 symmetry sy_anti(...);
2517 symmetry sy_cycl(...);
2518 @end example
2519
2520 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2521 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2522 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2523 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2524 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2525 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2526 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2527 all indices.
2528
2529 Here are some examples of symmetry definitions:
2530
2531 @example
2532     ...
2533     // No symmetry:
2534     e = indexed(A, i, j);
2535     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2536     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2537
2538     // Symmetric in all three indices:
2539     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2540     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2541     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2542                                                // different canonical order
2543
2544     // Symmetric in the first two indices only:
2545     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2546     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2547
2548     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2549     // be contiguous):
2550     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2551     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2552
2553     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2554     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2555     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2556     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2557
2558     // Cyclic symmetry in all three indices:
2559     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2560     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2561
2562     // The following examples are invalid constructions that will throw
2563     // an exception at run time.
2564
2565     // An index may not appear multiple times:
2566     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2567     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2568
2569     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2570     // same number of indices:
2571     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2572
2573     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2574     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2575     ...
2576 @end example
2577
2578 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2579 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2580 full symmetry in the first six indices you would write
2581 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2582
2583 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2584 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2585
2586 @example
2587     ...
2588     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2589           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2590      // -> 2*A.j.i
2591     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2592           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2593      // -> 0
2594     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2595           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2596      // -> 0
2597     ...
2598 @end example
2599
2600 @cindex @code{get_free_indices()}
2601 @cindex dummy index
2602 @subsection Dummy indices
2603
2604 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2605 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2606 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2607 dummy nor free indices.
2608
2609 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2610 class and their value must be the same single symbol (an index like
2611 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2612 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2613 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2614
2615 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2616 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2617 of a sum are consistent:
2618
2619 @example
2620 @{
2621     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2622
2623     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2624     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2625
2626     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2627     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2628      // -> (.i,.k)
2629      // 'j' and 'l' are dummy indices
2630
2631     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2632     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2633
2634     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2635       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2636     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2637      // -> (~mu,~rho)
2638      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2639
2640     e = indexed(A, mu, mu);
2641     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2642      // -> (~mu)
2643      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2644      // variance
2645
2646     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2647     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2648      // this will throw an exception:
2649      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2650 @}
2651 @end example
2652
2653 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2654 A dummy index summation like 
2655 @tex
2656 $ a_i b^i$
2657 @end tex
2658 @ifnottex
2659 a.i b~i
2660 @end ifnottex
2661 can be expanded for indices with numeric
2662 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2663 @tex
2664 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2665 @end tex
2666 @ifnottex
2667 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2668 @end ifnottex
2669 This is performed by the function
2670
2671 @example
2672     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2673 @end example
2674
2675 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2676 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2677 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2678 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2679 @tex
2680 $ a_i b^i$
2681 @end tex
2682 @ifnottex
2683 a.i b~i
2684 @end ifnottex
2685 will be expanded to
2686 @tex
2687 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2688 @end tex
2689 @ifnottex
2690 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2691 @end ifnottex
2692
2693
2694 @cindex @code{simplify_indexed()}
2695 @subsection Simplifying indexed expressions
2696
2697 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2698 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2699 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2700 there is the method
2701
2702 @example
2703 ex ex::simplify_indexed();
2704 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2705 @end example
2706
2707 that performs some more expensive operations:
2708
2709 @itemize @bullet
2710 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2711   @code{get_free_indices()} does
2712 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2713   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2714 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2715   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2716   next section)
2717 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2718   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2719 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2720   of two tensors with a user-defined value
2721 @end itemize
2722
2723 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2724 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2725 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2726
2727 @example
2728 @{
2729     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2730     idx i(i_sym, 3);
2731
2732     scalar_products sp;
2733     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2734     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2735     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2736
2737     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2738     cout << e << endl;
2739      // -> (B+A).i*(A+C).i
2740
2741     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2742          << endl;
2743      // -> 4+C.i*B.i
2744 @}
2745 @end example
2746
2747 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2748 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2749 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2750 taken, and the expression to replace it with.
2751
2752 @cindex @code{expand()}
2753 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2754 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2755 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2756
2757 @cindex @code{tensor} (class)
2758 @subsection Predefined tensors
2759
2760 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2761 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2762 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2763 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2764 indices are specified).
2765
2766 @cindex @code{delta_tensor()}
2767 @subsubsection Delta tensor
2768
2769 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2770 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2771 @code{delta_tensor()}:
2772
2773 @example
2774 @{
2775     symbol A("A"), B("B");
2776
2777     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2778         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2779
2780     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2781          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2782     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2783      // -> B.i.j*A.i.j
2784
2785     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2786      // -> 3
2787 @}
2788 @end example
2789
2790 @cindex @code{metric_tensor()}
2791 @subsubsection General metric tensor
2792
2793 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2794 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2795 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2796 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol A("A");
2801
2802     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2803
2804     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2805     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2806      // -> A~mu~rho
2807
2808     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2809     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2810      // -> g~mu~rho
2811
2812     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2813       * metric_tensor(nu, rho);
2814     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2815      // -> delta.mu~rho
2816
2817     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2818       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2819         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2820     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2821      // -> 4+A.rho~rho
2822 @}
2823 @end example
2824
2825 @cindex @code{lorentz_g()}
2826 @subsubsection Minkowski metric tensor
2827
2828 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2829 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2830 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2831 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2832 @samp{eta}):
2833
2834 @example
2835 @{
2836     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2837
2838     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2839       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2840     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2841      // -> 1
2842
2843     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2844       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> -1
2847 @}
2848 @end example
2849
2850 @cindex @code{spinor_metric()}
2851 @subsubsection Spinor metric tensor
2852
2853 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2854 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2855 It is output as @samp{eps}:
2856
2857 @example
2858 @{
2859     symbol psi("psi");
2860
2861     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2862     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2863
2864     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> psi~A
2867
2868     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2869     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2870      // -> -psi~B
2871
2872     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2873     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2874      // -> -psi.A
2875
2876     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2877     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2878      // -> psi.B
2879
2880     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2881     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2882      // -> 2
2883
2884     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2885     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2886      // -> -delta.A~C
2887 @}
2888 @end example
2889
2890 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2891
2892 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2893 @cindex @code{lorentz_eps()}
2894 @subsubsection Epsilon tensor
2895
2896 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2897 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2898 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2899 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2900 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2901 @samp{eps}.
2902
2903 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2904 dimensions:
2905
2906 @example
2907 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2908 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2909 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2910                bool pos_sig = false);
2911 @end example
2912
2913 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2914 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2915 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2916 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2917 tensor):
2918
2919 @example
2920 @{
2921     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2922            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2923     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2924         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2925     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2926      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2927
2928     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2929     symbol A("A"), B("B");
2930     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2931     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2932      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2933     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2934     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2935      // -> 0
2936 @}
2937 @end example
2938
2939 @subsection Linear algebra
2940
2941 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2942 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2943 and scalar products):
2944
2945 @example
2946 @{
2947     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2948     symbol x("x"), y("y");
2949
2950     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2951     matrix A = @{@{1, 2@},
2952                 @{3, 4@}@};
2953     matrix X = @{@{x, y@}@};
2954
2955     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2956      // -> 5
2957
2958     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2959     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2960      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2961
2962     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2963     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2964      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2965 @}
2966 @end example
2967
2968 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2969 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2970 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2971
2972 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2973 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2974 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2975 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2976
2977 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2978 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2979 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2980 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2981 of the metric tensor.
2982
2983
2984 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2985 @c    node-name, next, previous, up
2986 @section Non-commutative objects
2987
2988 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2989 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2990 physics:
2991
2992 @itemize
2993 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2994 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2995 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2996 @end itemize
2997
2998 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2999 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
3000 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
3001 @ref{Matrices}.
3002
3003 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3004 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3005 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3006 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3007 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3008 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3009 by their class. Consider this example:
3010
3011 @example
3012     ...
3013     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3014     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3015     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3016     cout << e << endl;
3017      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3018     ...
3019 @end example
3020
3021 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3022 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3023 together while preserving the order of factors within each class (because
3024 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3025 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3026 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3027 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3028
3029 @cindex @code{ncmul} (class)
3030 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3031 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3032 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3033 though.
3034
3035 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3036 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3037 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3038 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3039 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3040 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3041 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3042 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3043 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3044 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3045
3046 @cindex @code{return_type()}
3047 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3048 Information about the commutativity of an object or expression can be
3049 obtained with the two member functions
3050
3051 @example
3052 unsigned      ex::return_type() const;
3053 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3054 @end example
3055
3056 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3057 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3058 expressions in GiNaC:
3059
3060 @itemize @bullet
3061 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3062   classes are of this kind.
3063 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3064   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3065   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3066   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3067   class.
3068 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3069   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3070   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3071   @code{noncommutative_composite} expressions.
3072 @end itemize
3073
3074 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3075 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3076 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3077 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3078 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3079 therefore may not commute.
3080
3081 Here are a couple of examples:
3082
3083 @cartouche
3084 @multitable @columnfractions .6 .4
3085 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3086 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3087 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3088 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3089 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3090 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3091 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3092 @end multitable
3093 @end cartouche
3094
3095 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3096 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3097 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3098 non-commutative expressions).
3099
3100
3101 @cindex @code{clifford} (class)
3102 @subsection Clifford algebra
3103
3104
3105 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3106 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3107 mathematical). 
3108
3109 @cindex @code{dirac_gamma()}
3110 @subsubsection Dirac gamma matrices
3111 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3112 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3113 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3114 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3115 constructed by the function
3116
3117 @example
3118 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3119 @end example
3120
3121 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3122 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3123 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3124 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3125 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3126 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3127
3128 @cindex @code{dirac_ONE()}
3129 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3130
3131 @example
3132 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3133 @end example
3134
3135 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3136 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3137 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3138 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3139 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3140
3141 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3142 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3143 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3144 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3145
3146 @example
3147 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3148 @end example
3149
3150 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3151 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3152 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3153 objects, constructed by
3154
3155 @example
3156 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3157 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3158 @end example
3159
3160 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3161 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3162
3163 @cindex @code{dirac_slash()}
3164 Finally, the function
3165
3166 @example
3167 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3168 @end example
3169
3170 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3171 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3172 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3173 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3174
3175 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3176 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3177 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3178
3179 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3180 for example
3181
3182 @example
3183 @{
3184     ...
3185     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3186     varidx mu(symbol("mu"), D);
3187     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3188          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3189     cout << e << endl;
3190      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3191     e = e.simplify_indexed();
3192     cout << e << endl;
3193      // -> -D*a\+2*a\
3194     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3195      // -> -2*a\
3196     ...
3197 @}
3198 @end example
3199
3200 @cindex @code{dirac_trace()}
3201 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3202 you use one of the functions
3203
3204 @example
3205 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3206                const ex & trONE = 4);
3207 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3208 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3209 @end example
3210
3211 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3212 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3213 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3214 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3215 element, which defaults to 4.
3216
3217 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3218 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3219 functional is not cyclic in
3220 @tex $D \ne 4$
3221 @end tex
3222 @ifnottex
3223 @math{D != 4}
3224 @end ifnottex
3225 dimensions when acting on
3226 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3227 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3228 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3229
3230 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3231 @tex $D \ne 4$
3232 @end tex
3233 @ifnottex
3234 @math{D != 4}
3235 @end ifnottex
3236 dimensions:
3237
3238 @example
3239 @{
3240     // 4 dimensions
3241     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3242     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3243            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3244     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3245      // -> -8*eta~rho~nu
3246 @}
3247 ...
3248 @{
3249     // D dimensions
3250     symbol D("D");
3251     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3252     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3253            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3254     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3255      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3256 @}
3257 @end example
3258
3259 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3260 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3261 QED:
3262
3263 @example
3264 @{
3265     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3266     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3267
3268     scalar_products sp;
3269     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3270     sp.add(l, q, ldotq);
3271
3272     ex e = dirac_gamma(mu) *
3273            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3274            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3275            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3276     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3277     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3278     cout << e << endl;
3279      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3280 @}
3281 @end example
3282
3283 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3284 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3285 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3286
3287 @example
3288 @{
3289     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3290     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3291     cout << e << endl;
3292      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3293
3294     e = canonicalize_clifford(e);
3295     cout << e << endl;
3296      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3297 @}
3298 @end example
3299
3300 @cindex @code{clifford_unit()}
3301 @subsubsection A generic Clifford algebra
3302
3303 A generic Clifford algebra, i.e. a
3304 @tex $2^n$
3305 @end tex
3306 @ifnottex
3307 2^n
3308 @end ifnottex
3309 dimensional algebra with
3310 generators 
3311 @tex $e_k$
3312 @end tex 
3313 @ifnottex
3314 e_k
3315 @end ifnottex
3316 satisfying the identities 
3317 @tex
3318 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3319 @end tex
3320 @ifnottex
3321 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3322 @end ifnottex
3323 for some bilinear form (@code{metric})
3324 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3325 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3326 function 
3327
3328 @example
3329     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3330 @end example
3331
3332 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3333 indexing the generators.
3334 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3335 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3336 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3337 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3338 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3339 @code{op(0)} will be used.
3340 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3341 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3342
3343 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3344 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3345 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3346 @cindex @code{get_metric()}
3347 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3348 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3349 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3350 specifies as follows:
3351
3352 @example
3353     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3354 @end example
3355
3356 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3357 Clifford number.
3358
3359 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3360 the Clifford algebra units with a call like that
3361
3362 @example
3363     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3364 @end example
3365
3366 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3367 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3368 automatically. 
3369
3370 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3371 ways. For example 
3372
3373 @example
3374 @{
3375     ... 
3376     idx i(symbol("i"), 4);
3377     realsymbol s("s");
3378     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3379     ex e = clifford_unit(i, M);
3380     ex e0 = e.subs(i == 0);
3381     ex e1 = e.subs(i == 1);
3382     ex e2 = e.subs(i == 2);
3383     ex e3 = e.subs(i == 3);
3384     ...
3385 @}
3386 @end example
3387
3388 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3389 @tex
3390 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3391 @end tex
3392 @ifnottex
3393 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3394 @code{pow(e3, 2) = s}.
3395 @end ifnottex
3396
3397 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3398 A similar effect can be achieved from the function
3399
3400 @example
3401     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3402                        unsigned char rl = 0);
3403     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3404 @end example
3405
3406 which converts a list or vector 
3407 @tex
3408 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3409 @end tex
3410 @ifnottex
3411 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3412 @end ifnottex
3413 into the
3414 Clifford number 
3415 @tex
3416 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3417 @end tex
3418 @ifnottex
3419 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3420 @end ifnottex
3421 with @samp{e.k}
3422 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3423 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3424 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3425 @cindex pseudo-vector
3426 If the number of components supplied
3427 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3428 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3429 pseudo-vector representation: 
3430 @tex
3431 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3432 @end tex
3433 @ifnottex
3434 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3435 @end ifnottex
3436
3437 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3438
3439 @example
3440 @{
3441     ...
3442     idx i(symbol("i"), 4);
3443     realsymbol s("s");
3444     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3445     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3446     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3447     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3448     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3449   ...
3450 @}
3451 @end example
3452
3453 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3454 There is the inverse function 
3455
3456 @example
3457     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3458 @end example
3459
3460 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3461 @tex
3462 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3463 @end tex
3464 @ifnottex
3465 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3466 @end ifnottex
3467 such that the expression is either vector 
3468 @tex
3469 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3470 @end tex
3471 @ifnottex
3472 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3473 @end ifnottex
3474 or pseudo-vector 
3475 @tex
3476 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3477 @end tex
3478 @ifnottex
3479 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3480 @end ifnottex
3481 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3482 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3483 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3484 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3485 @samp{v~k} are calculated as 
3486 @tex
3487 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3488 @end tex
3489 @ifnottex
3490 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3491 @end ifnottex
3492 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3493 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3494 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3495
3496 @cindex @code{clifford_prime()}
3497 @cindex @code{clifford_star()}
3498 @cindex @code{clifford_bar()}
3499 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3500
3501 @example
3502     ex clifford_prime(const ex & e)
3503     inline ex clifford_star(const ex & e)
3504     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3505 @end example
3506
3507 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3508 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3509 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3510 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3511 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3512 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3513 in a product. These functions correspond to the notations
3514 @math{e'},
3515 @tex
3516 $e^*$
3517 @end tex
3518 @ifnottex
3519 e*
3520 @end ifnottex
3521 and
3522 @tex
3523 $\overline{e}$
3524 @end tex
3525 @ifnottex
3526 @code{\bar@{e@}}
3527 @end ifnottex
3528 used in Clifford algebra textbooks.
3529
3530 @cindex @code{clifford_norm()}
3531 The function
3532
3533 @example
3534     ex clifford_norm(const ex & e);
3535 @end example
3536
3537 @cindex @code{clifford_inverse()}
3538 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3539 @tex
3540 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3541 @end tex
3542 @ifnottex
3543 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3544 @end ifnottex
3545  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3546
3547 @example
3548     ex clifford_inverse(const ex & e);
3549 @end example
3550
3551 which calculates it as 
3552 @tex
3553 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3554 @end tex
3555 @ifnottex
3556 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3557 @end ifnottex
3558  If
3559 @tex
3560 $||e|| = 0$
3561 @end tex
3562 @ifnottex
3563 @math{||e||=0}
3564 @end ifnottex
3565 then an exception is raised.
3566
3567 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3568 If a Clifford number happens to be a factor of
3569 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3570 expression by the function
3571
3572 @example
3573     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3574 @end example
3575
3576 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3577 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3578 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3579
3580 The next provided function is
3581
3582 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3583 @example
3584     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3585                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3586                             unsigned char rl = 0);
3587     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3588                             unsigned char rl = 0);
3589 @end example 
3590
3591 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3592 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3593 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3594 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3595 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3596 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3597 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3598 is either a vector or a list holding vector's components.
3599
3600 @cindex @code{clifford_max_label()}
3601 Finally the function
3602
3603 @example
3604 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3605 @end example
3606
3607 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3608 such objects are found it returns the maximal
3609 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3610 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3611 be ignored during the search.
3612  
3613 LaTeX output for Clifford units looks like
3614 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3615 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3616 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3617 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3618 @example
3619     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3620 @end example
3621 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3622 @example
3623     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3624 @end example
3625 prints units with @code{representation_label=0} as 
3626 @tex
3627 $e$,
3628 @end tex
3629 @ifnottex
3630 @code{e},
3631 @end ifnottex
3632 with @code{representation_label=1} as 
3633 @tex
3634 $\tilde{e}$
3635 @end tex
3636 @ifnottex
3637 @code{\tilde@{e@}}
3638 @end ifnottex
3639  and with @code{representation_label=2} as 
3640 @tex
3641 $\breve{e}$.
3642 @end tex
3643 @ifnottex
3644 @code{\breve@{e@}}.
3645 @end ifnottex
3646
3647 @cindex @code{color} (class)
3648 @subsection Color algebra
3649
3650 @cindex @code{color_T()}
3651 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3652 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3653 elements @math{T_a} are constructed by the function
3654
3655 @example
3656 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3657 @end example
3658
3659 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3660 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3661 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3662 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3663 not @code{varidx}.
3664
3665 @cindex @code{color_ONE()}
3666 The unity element of a color algebra is constructed by
3667
3668 @example
3669 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3670 @end example
3671
3672 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3673 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3674 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3675 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3676 GiNaC may produce incorrect results.
3677
3678 @cindex @code{color_d()}
3679 @cindex @code{color_f()}
3680 The functions
3681
3682 @example
3683 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3684 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3685 @end example
3686
3687 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3688 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3689 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3690
3691 These functions evaluate to their numerical values,
3692 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3693 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3694 goes along better with the notations used in physical literature.
3695
3696 @cindex @code{color_h()}
3697 There's an additional function
3698
3699 @example
3700 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3701 @end example
3702
3703 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3704
3705 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3706 expressions containing color objects:
3707
3708 @example
3709 @{
3710     ...
3711     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3712         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3713
3714     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3715     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3716      // -> 0
3717
3718     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3719     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3720      // -> 5/3*delta.k.l
3721
3722     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3723     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3724      // -> 3*delta.k.l
3725
3726     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3727     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3728      // -> -32/3
3729
3730     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3731     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3732      // -> -2/3*T.a
3733
3734     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3735     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3736      // -> -8/9*ONE
3737
3738     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3739     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3740      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3741     ...
3742 @end example
3743
3744 @cindex @code{color_trace()}
3745 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3746 of the functions
3747
3748 @example
3749 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3750 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3751 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3752 @end example
3753
3754 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3755 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3756 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3757 example:
3758
3759 @example
3760     ...
3761     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3762     cout << e << endl;
3763      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3764 @}
3765 @end example
3766
3767
3768 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3769 @c    node-name, next, previous, up
3770 @section Hash Maps
3771 @cindex hash maps
3772 @cindex @code{exhashmap} (class)
3773
3774 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3775 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3776 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3777 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3778
3779 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3780 following differences:
3781
3782 @itemize @bullet
3783 @item
3784 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3785 @item
3786 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3787 @item 
3788 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3789 @item
3790 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3791 @code{ex_is_less}
3792 @item
3793 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3794 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3795 larger than the specified value)
3796 @item
3797 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3798 table
3799 @item 
3800 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3801 @end itemize
3802
3803
3804 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3805 @c    node-name, next, previous, up
3806 @chapter Methods and functions
3807 @cindex polynomial
3808
3809 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3810 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3811 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3812 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3813 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3814 example:
3815
3816 @example
3817     ...
3818     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3819     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3820     ...
3821 @end example
3822
3823 @cindex @code{subs()}
3824 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3825 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3826 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3827 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3828 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3829 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3830 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3831 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3832 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3833 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3834 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3835 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3836 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3837 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3838 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3839 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3840 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3841 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3842 avoided.
3843
3844 @menu
3845 * Information about expressions::
3846 * Numerical evaluation::
3847 * Substituting expressions::
3848 * Pattern matching and advanced substitutions::
3849 * Applying a function on subexpressions::
3850 * Visitors and tree traversal::
3851 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3852 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3853 * Symbolic differentiation::
3854 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3855 * Symmetrization::
3856 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3857 * Multiple polylogarithms::
3858 * Complex expressions::
3859 * Solving linear systems of equations::
3860 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3861 @end menu
3862
3863
3864 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3865 @c    node-name, next, previous, up
3866 @section Getting information about expressions
3867
3868 @subsection Checking expression types
3869 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3870 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3871 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3872 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3873 @cindex @code{info()}
3874 @cindex @code{return_type()}
3875 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3876
3877 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3878 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3879 GiNaC provides a couple of functions for this:
3880
3881 @example
3882 bool is_a<T>(const ex & e);
3883 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3884 bool ex::info(unsigned flag);
3885 unsigned ex::return_type() const;
3886 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3887 @end example
3888
3889 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3890 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3891 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3892 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3893
3894 @example
3895 @{
3896     @dots{}
3897     if (is_a<numeric>(e))
3898         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3899     @dots{}
3900 @}
3901 @end example
3902
3903 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3904 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3905 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3906 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3907
3908 @example
3909 @{
3910     symbol x("x");
3911     ex e1 = 42;
3912     ex e2 = 4*x - 3;
3913     is_a<numeric>(e1);  // true
3914     is_a<numeric>(e2);  // false
3915     is_a<add>(e1);      // false
3916     is_a<add>(e2);      // true
3917     is_a<mul>(e1);      // false
3918     is_a<mul>(e2);      // false
3919 @}
3920 @end example
3921
3922 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3923 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3924 class @samp{T}, not including parent classes.
3925
3926 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3927 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3928 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3929 table:
3930
3931 @cartouche
3932 @multitable @columnfractions .30 .70
3933 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3934 @item @code{numeric}
3935 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3936 @item @code{real}
3937 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3938 @item @code{rational}
3939 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3940 @item @code{integer}
3941 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3942 @item @code{crational}
3943 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3944 @item @code{cinteger}
3945 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3946 @item @code{positive}
3947 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3948 @item @code{negative}
3949 @tab @dots{}not complex and less than 0
3950 @item @code{nonnegative}
3951 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3952 @item @code{posint}
3953 @tab @dots{}an integer greater than 0
3954 @item @code{negint}
3955 @tab @dots{}an integer less than 0
3956 @item @code{nonnegint}
3957 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3958 @item @code{even}
3959 @tab @dots{}an even integer
3960 @item @code{odd}
3961 @tab @dots{}an odd integer
3962 @item @code{prime}
3963 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3964 @item @code{relation}
3965 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3966 @item @code{relation_equal}
3967 @tab @dots{}a @code{==} relation
3968 @item @code{relation_not_equal}
3969 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3970 @item @code{relation_less}
3971 @tab @dots{}a @code{<} relation
3972 @item @code{relation_less_or_equal}
3973 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3974 @item @code{relation_greater}
3975 @tab @dots{}a @code{>} relation
3976 @item @code{relation_greater_or_equal}
3977 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3978 @item @code{symbol}
3979 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3980 @item @code{list}
3981 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3982 @item @code{polynomial}
3983 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3984 @item @code{integer_polynomial}
3985 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3986 @item @code{cinteger_polynomial}
3987 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3988 @item @code{rational_polynomial}
3989 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3990 @item @code{crational_polynomial}
3991 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3992 @item @code{rational_function}
3993 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3994 @end multitable
3995 @end cartouche
3996
3997 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3998 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3999 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
4000 for an explanation of these.
4001
4002
4003 @subsection Accessing subexpressions
4004 @cindex container
4005
4006 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
4007 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
4008 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
4009 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4010
4011 @cindex @code{nops()}
4012 @cindex @code{op()}
4013 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4014 use the two methods
4015
4016 @example
4017 size_t ex::nops();
4018 ex ex::op(size_t i);
4019 @end example
4020
4021 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4022 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4023 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4024 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4025 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4026 @math{i>0} are the indices.
4027
4028 @cindex iterators
4029 @cindex @code{const_iterator}
4030 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4031 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4032
4033 @example
4034 const_iterator ex::begin();
4035 const_iterator ex::end();
4036 @end example
4037
4038 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4039 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4040 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4041 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4042
4043 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4044 given expression in three different ways:
4045
4046 @example
4047 @{
4048     ex e = ...
4049
4050     // with nops()/op()
4051     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4052         cout << e.op(i) << endl;
4053
4054     // with iterators
4055     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4056         cout << *i << endl;
4057
4058     // with iterators and STL copy()
4059     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4060 @}
4061 @end example
4062
4063 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4064 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4065 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4066 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4067 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4068 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4069 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4070 methods
4071
4072 @example
4073 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4074 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4075 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4076 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4077 @end example
4078
4079 The following example illustrates the differences between
4080 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4081 @code{const_postorder_iterator}:
4082
4083 @example
4084 @{
4085     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4086     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4087
4088     std::copy(e.begin(), e.end(),
4089               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4090     // @{A,B@}
4091     // C
4092
4093     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4094               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4095     // @{@{A,B@},C@}
4096     // @{A,B@}
4097     // A
4098     // B
4099     // C
4100
4101     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4102               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4103     // A
4104     // B
4105     // @{A,B@}
4106     // C
4107     // @{@{A,B@},C@}
4108 @}
4109 @end example
4110
4111 @cindex @code{relational} (class)
4112 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4113 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4114 methods
4115
4116 @example
4117 ex ex::lhs();
4118 ex ex::rhs();
4119 @end example
4120
4121
4122 @subsection Comparing expressions
4123 @cindex @code{is_equal()}
4124 @cindex @code{is_zero()}
4125
4126 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4127 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4128 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4129 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4130 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4131 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4132 @code{false}.
4133
4134 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4135 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4136 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4137
4138 There are also two methods
4139
4140 @example
4141 bool ex::is_equal(const ex & other);
4142 bool ex::is_zero();
4143 @end example
4144
4145 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4146 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4147 @pxref{Matrices}. 
4148
4149
4150 @subsection Ordering expressions
4151 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4152 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4153 @cindex @code{compare()}
4154
4155 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4156 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4157 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4158 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4159
4160 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4161 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4162 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4163 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4164 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4165 yield @code{true}.
4166
4167 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4168 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4169 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4170 predicates to the STL:
4171
4172 @example
4173 class ex_is_less @{
4174 public:
4175     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4176 @};
4177
4178 class ex_is_equal @{
4179 public:
4180     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4181 @};
4182 @end example
4183
4184 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4185 have to use
4186
4187 @example
4188 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4189 @end example
4190
4191 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4192 bugs because the map operates improperly.
4193
4194 Other examples for the use of the functors:
4195
4196 @example
4197 std::vector<ex> v;
4198 // fill vector
4199 ...
4200
4201 // sort vector
4202 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4203
4204 // count the number of expressions equal to '1'
4205 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4206                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4207 @end example
4208
4209 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4210
4211 @example
4212 int ex::compare(const ex & other) const;
4213 @end example
4214
4215 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4216 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4217 after @code{other}.
4218
4219
4220 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4221 @c    node-name, next, previous, up
4222 @section Numerical evaluation
4223 @cindex @code{evalf()}
4224
4225 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4226 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4227
4228 @example
4229 ex ex::evalf() const;
4230 @end example
4231
4232 @cindex @code{Digits}
4233 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4234 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4235 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4236
4237 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4238 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4239
4240 @example
4241 @{
4242     // Approximate sin(x/Pi)
4243     symbol x("x");
4244     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4245
4246     // Evaluate numerically at x=0.1
4247     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4248
4249     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4250     if (is_a<numeric>(f)) @{
4251         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4252         cout << d << endl;
4253          // -> 0.0318256
4254     @} else
4255         // error
4256 @}
4257 @end example
4258
4259
4260 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4261 @c    node-name, next, previous, up
4262 @section Substituting expressions
4263 @cindex @code{subs()}
4264
4265 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4266 expressions via the @code{.subs()} method:
4267
4268 @example
4269 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4270 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4271 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4272 @end example
4273
4274 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4275 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4276
4277 @example
4278 @{
4279     symbol x("x"), y("y");
4280
4281     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4282     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4283      // -> 73
4284
4285     ex e2 = x*y + x;
4286     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4287      // -> -10
4288 @}
4289 @end example
4290
4291 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4292 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4293
4294 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4295 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4296 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4297 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4298 be substituted is large or unknown.
4299
4300 Using this form, the second example from above would look like this:
4301
4302 @example
4303 @{
4304     symbol x("x"), y("y");
4305     ex e2 = x*y + x;
4306
4307     exmap m;
4308     m[x] = -2;
4309     m[y] = 4;
4310     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4311 @}
4312 @end example
4313
4314 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4315 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4316 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4317
4318 @example
4319 @{
4320     symbol x("x"), y("y");
4321     ex e2 = x*y + x;
4322
4323     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4324 @}
4325 @end example
4326
4327 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4328 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4329 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4330 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4331 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4332 algebraic substitutions in products and powers.
4333 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4334 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4335 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4336 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4337 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4338 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4339
4340 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4341 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4342 following example:
4343
4344 @example
4345 @{
4346     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4347
4348     ex e1 = pow(x+y, 2);
4349     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4350      // -> 16
4351
4352     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4353     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4354      // -> cos(x)^2*sin(y)
4355
4356     ex e3 = x+y+z;
4357     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4358      // -> x+y+z
4359      // (and not 4+z as one might expect)
4360 @}
4361 @end example
4362
4363 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4364 next section.
4365
4366
4367 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4368 @c    node-name, next, previous, up
4369 @section Pattern matching and advanced substitutions
4370 @cindex @code{wildcard} (class)
4371 @cindex Pattern matching
4372
4373 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4374 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4375 substituting expressions in a more general way.
4376
4377 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4378 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4379 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4380 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4381 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4382 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4383 with the call
4384
4385 @example
4386 ex wild(unsigned label = 0);
4387 @end example
4388
4389 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4390 name.
4391
4392 Some examples for patterns:
4393
4394 @multitable @columnfractions .5 .5
4395 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4396 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4397 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4398 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4399 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4400 @end multitable
4401
4402 Notes:
4403
4404 @itemize @bullet
4405 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4406   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4407 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4408   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4409   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4410 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4411   possible to use them as placeholders for other properties like index
4412   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4413   etc.
4414 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4415   as part of noncommutative products.
4416 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4417   are also valid patterns.
4418 @end itemize
4419
4420 @subsection Matching expressions
4421 @cindex @code{match()}
4422 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4423 matches a given pattern. This is done by the function
4424
4425 @example
4426 bool ex::match(const ex & pattern);
4427 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4428 @end example
4429
4430 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4431 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4432 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4433 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4434 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4435
4436 The matching algorithm works as follows:
4437
4438 @itemize
4439 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4440   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4441   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4442   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4443 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4444   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4445   etc.).
4446 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4447   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4448 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4449   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4450   of the pattern.
4451 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4452   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4453 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4454   match the corresponding subexpression of the pattern.
4455 @end itemize
4456
4457 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4458 account for their commutativity and associativity:
4459
4460 @itemize
4461 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4462   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4463   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4464   way.
4465 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4466   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4467   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4468   further matches.
4469 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4470   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4471   which case this wildcard matches the remaining terms.
4472 @end itemize
4473
4474 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4475 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4476 ambiguous results.
4477
4478 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4479 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4480 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4481
4482 @example
4483 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4484 @{@}
4485 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4486 FAIL
4487 > match((x+y)^a,$1^$2);
4488 @{$1==x+y,$2==a@}
4489 > match((x+y)^a,$1^$1);
4490 FAIL
4491 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4492 @{$1==x+y@}
4493 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4494 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4495 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4496 @{$1==a@}
4497 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4498 @{$1==b,$2==c@}
4499   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4500 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4501   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4502    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4503    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4504    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4505    fail.)
4506 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4507   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4508    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4509 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4510 FAIL
4511 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4512 @{$0==a+e+b+f+d@}
4513 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4514 @{$0==a+b+f+d@}
4515 > match(a+b,a+b+$0);
4516 @{$0==0@}
4517 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4518 FAIL
4519   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4520    even though a==a^1.)
4521 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4522 @{$0==x@}
4523 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4524 @{$0==x^2@}
4525 @end example
4526
4527 @subsection Matching parts of expressions
4528 @cindex @code{has()}
4529 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4530 member function
4531
4532 @example
4533 bool ex::has(const ex & pattern);
4534 @end example
4535
4536 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4537 by any of its subexpressions.
4538
4539 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4540 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4541
4542 @example
4543 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4544 1
4545 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4546 0
4547   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4548    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4549 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4550 1
4551   (But this is possible.)
4552 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4553 0
4554   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4555    which "x+y" is not a subexpression.)
4556 > has(x+1,x^$1);
4557 0
4558   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4559    "x^something".)
4560 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4561 1
4562 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4563 0
4564   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4565    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4566    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4567 @end example
4568
4569 @cindex @code{find()}
4570 The method
4571
4572 @example
4573 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4574 @end example
4575
4576 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4577 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4578 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4579 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4580 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4581
4582 @example
4583 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4584 @{x@}
4585 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4586 @{@}
4587 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4588 @{x^3,x^2@}
4589   (Note the absence of "x".)
4590 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4591 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4592 > find(%,sin($1));
4593 @{sin(y),sin(x)@}
4594 @end example
4595
4596 @subsection Substituting expressions
4597 @cindex @code{subs()}
4598 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4599 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4600 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4601 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4602 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4603
4604 Some examples:
4605
4606 @example
4607 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4608 b^3+a^3+(x+y)^3
4609 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4610 b^4+a^4+(x+y)^4
4611 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4612 (a+b+c)^2
4613 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4614 (x+c)^2
4615 > subs(a+2*b,a+b==x);
4616 a+2*b
4617 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4618 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4619 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4620 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4621 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4622 cos(1+cos(x))
4623 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4624 a+b
4625 @end example
4626
4627 The last example would be written in C++ in this way:
4628
4629 @example
4630 @{
4631     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4632     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4633     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4634     cout << e.expand() << endl;
4635      // -> a+b
4636 @}
4637 @end example
4638
4639 @subsection The option algebraic
4640 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4641 extra options. This section describes what happens if you give the former
4642 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4643 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4644 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4645 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4646 If you use these options you will find that
4647 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4648 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4649 often as is possible without getting negative exponents. For example
4650 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4651 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4652 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4653 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4654
4655 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4656 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4657
4658
4659 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4660 @c    node-name, next, previous, up
4661 @section Applying a function on subexpressions
4662 @cindex tree traversal
4663 @cindex @code{map()}
4664
4665 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4666 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4667 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4668 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4669 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4670 to do this manually which usually results in code like this:
4671
4672 @example
4673 ex calc_trace(ex e)
4674 @{
4675     if (is_a<matrix>(e))
4676         return ex_to<matrix>(e).trace();
4677     else if (is_a<add>(e)) @{
4678         ex sum = 0;
4679         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4680             sum += calc_trace(e.op(i));
4681         return sum;
4682     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4683         ...
4684     @} else @{
4685         ...
4686     @}
4687 @}
4688 @end example
4689
4690 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4691 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4692 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4693 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4694 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4695
4696 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4697 operations:
4698
4699 @example
4700 ex ex::map(map_function & f) const;
4701 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4702 @end example
4703
4704 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4705 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4706 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4707 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4708 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4709 non-recursively.
4710
4711 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4712 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4713 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4714 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4715 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4716
4717 @example
4718 struct calc_trace : public map_function @{
4719     ex operator()(const ex &e)
4720     @{
4721         if (is_a<matrix>(e))
4722             return ex_to<matrix>(e).trace();
4723         else if (is_a<mul>(e)) @{
4724             ...
4725         @} else
4726             return e.map(*this);
4727     @}
4728 @};
4729 @end example
4730
4731 This function object could then be used like this:
4732
4733 @example
4734 @{
4735     ex M = ... // expression with matrices
4736     calc_trace do_trace;
4737     ex tr = do_trace(M);
4738 @}
4739 @end example
4740
4741 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4742 terms in a variable from an expanded polynomial:
4743
4744 @example
4745 struct map_rem_quad : public map_function @{
4746     ex var;
4747     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4748
4749     ex operator()(const ex & e)
4750     @{
4751         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4752             return e.map(*this);
4753         else if (is_a<power>(e) && 
4754                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4755             return 0;
4756         else
4757             return e;
4758     @}
4759 @};
4760
4761 ...
4762
4763 @{
4764     symbol x("x"), y("y");
4765
4766     ex e;
4767     for (int i=0; i<8; i++)
4768         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4769     cout << e << endl;
4770      // -> 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
4771
4772     map_rem_quad rem_quad(x);
4773     cout << rem_quad(e) << endl;
4774      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4775 @}
4776 @end example
4777
4778 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4779 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4780 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4781 acts as the placeholder for the operands:
4782
4783 @example
4784 > map(a*b,sin($0));
4785 sin(a)*sin(b)
4786 > map(a+2*b,sin($0));
4787 sin(a)+sin(2*b)
4788 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4789 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4790 @end example
4791
4792 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4793 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4794 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4795
4796 @example
4797 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4798 @{0,0,0@}
4799   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4800   to "map(@{a,b,c@},0)".
4801 @end example
4802
4803
4804 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4805 @c    node-name, next, previous, up
4806 @section Visitors and tree traversal
4807 @cindex tree traversal
4808 @cindex @code{visitor} (class)
4809 @cindex @code{accept()}
4810 @cindex @code{visit()}
4811 @cindex @code{traverse()}
4812 @cindex @code{traverse_preorder()}
4813 @cindex @code{traverse_postorder()}
4814
4815 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4816 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4817 indices with variance you always want the covariant version returned.
4818
4819 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4820 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4821 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4822 with variance, one for plain ones).
4823
4824 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4825 such as the following:
4826
4827 @example
4828 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4829 @{
4830     if (is_a<varidx>(e)) @{
4831         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4832         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4833     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4834         l.append(e);
4835     @} else @{
4836         size_t n = e.nops();
4837         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4838             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4839     @}
4840 @}
4841
4842 lst gather_indices(const ex & e)
4843 @{
4844     lst l;
4845     gather_indices_helper(e, l);
4846     l.sort();
4847     l.unique();
4848     return l;
4849 @}
4850 @end example
4851
4852 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4853 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4854 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4855
4856 @example
4857     if (is_a<idx>(e)) @{
4858       ...
4859     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4860       ...
4861 @end example
4862
4863 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4864 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4865 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4866 executed.
4867
4868 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4869 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4870 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4871 write a function that required a different implementation for nearly
4872 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4873
4874 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4875 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4876 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4877 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4878 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4879 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4880 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4881 presented this would be impractical.
4882
4883 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4884 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4885 variation, described in detail in
4886 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4887 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4888 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4889 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4890 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4891 object that @code{accept()} was being invoked on.
4892
4893 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4894 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4895 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4896 each class.
4897
4898 A call of
4899
4900 @example
4901 void ex::accept(visitor & v) const;
4902 @end example
4903
4904 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4905 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4906 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4907
4908 Here is an example of a visitor:
4909
4910 @example
4911 class my_visitor
4912  : public visitor,          // this is required
4913    public add::visitor,     // visit add objects
4914    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4915    public basic::visitor    // visit basic objects
4916 @{
4917     void visit(const add & x)
4918     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4919
4920     void visit(const numeric & x)
4921     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4922
4923     void visit(const basic & x)
4924     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4925 @};
4926 @end example
4927
4928 which can be used as follows:
4929
4930 @example
4931 ...
4932     symbol x("x");
4933     ex e1 = 42;
4934     ex e2 = 4*x-3;
4935     ex e3 = 8*x;
4936
4937     my_visitor v;
4938     e1.accept(v);
4939      // prints "called with a numeric object"
4940     e2.accept(v);
4941      // prints "called with an add object"
4942     e3.accept(v);
4943      // prints "called with a basic object"
4944 ...
4945 @end example
4946
4947 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4948 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4949
4950 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4951 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4952 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4953 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4954 hierarchies of visitors.
4955
4956 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4957
4958 @example
4959 class gather_indices_visitor
4960  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4961 @{
4962     lst l;
4963
4964     void visit(const idx & i)
4965     @{
4966         l.append(i);
4967     @}
4968
4969     void visit(const varidx & vi)
4970     @{
4971         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4972     @}
4973
4974 public:
4975     const lst & get_result() // utility function
4976     @{
4977         l.sort();
4978         l.unique();
4979         return l;
4980     @}
4981 @};
4982 @end example
4983
4984 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4985 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4986
4987 @example
4988 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4989 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4990 void ex::traverse(visitor & v) const;
4991 @end example
4992
4993 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4994 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4995 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4996 @code{traverse_preorder()}.
4997
4998 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4999 and @code{traverse()}:
5000
5001 @example
5002 lst gather_indices(const ex & e)
5003 @{
5004     gather_indices_visitor v;
5005     e.traverse(v);
5006     return v.get_result();
5007 @}
5008 @end example
5009
5010 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5011 traversal:
5012
5013 @example
5014 lst gather_indices(const ex & e)
5015 @{
5016     gather_indices_visitor v;
5017     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5018          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5019         i->accept(v);
5020     @}
5021     return v.get_result();
5022 @}
5023 @end example
5024
5025
5026 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5027 @c    node-name, next, previous, up
5028 @section Polynomial arithmetic
5029
5030 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5031 @cindex @code{is_polynomial()}
5032
5033 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5034 can be done with the method
5035 @example
5036 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5037 @end example
5038 In the case of more than
5039 one variable, the variables are given as a list.
5040
5041 @example
5042 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5043 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5044 @end example
5045
5046 @subsection Expanding and collecting
5047 @cindex @code{expand()}
5048 @cindex @code{collect()}
5049 @cindex @code{collect_common_factors()}
5050
5051 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5052 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5053 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5054 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5055 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5056 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5057 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5058 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5059 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5060 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5061 x*z}.
5062
5063 To bring an expression into expanded form, its method
5064
5065 @example
5066 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5067 @end example
5068
5069 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5070 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5071 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5072 orderings of terms in such sums!
5073
5074 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5075 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5076 being polynomials in the remaining variables.  The method
5077 @code{collect()} accomplishes this task:
5078
5079 @example
5080 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5081 @end example
5082
5083 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5084 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5085 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5086 by the @code{distributed} flag.
5087
5088 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5089 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5090 coefficients properly.
5091
5092 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5093 together with @code{find()}:
5094
5095 @example
5096 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5097 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)
5098 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5099 > collect(a,@{p,q@});
5100 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5101 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5102 > collect(a,find(a,sin($1)));
5103 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5104 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5105 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5106 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5107 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5108 @end example
5109
5110 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5111 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5112
5113 @example
5114 ex collect_common_factors(const ex & e);
5115 @end example
5116
5117 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5118 factors which are already explicitly present:
5119
5120 @example
5121 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5122 (x+y)*a
5123 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5124 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5125 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5126 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5127 @end example
5128
5129 @subsection Degree and coefficients
5130 @cindex @code{degree()}
5131 @cindex @code{ldegree()}
5132 @cindex @code{coeff()}
5133
5134 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5135 using the two methods
5136
5137 @example
5138 int ex::degree(const ex & s);
5139 int ex::ldegree(const ex & s);
5140 @end example
5141
5142 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5143 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5144 with a certain power from an expanded polynomial you use
5145
5146 @example
5147 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5148 @end example
5149
5150 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5151
5152 @example
5153 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5154 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5155 @end example
5156
5157 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5158 respectively.
5159
5160 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5161 polynomial is analyzed:
5162
5163 @example
5164 @{
5165     symbol x("x"), y("y");
5166     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5167                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5168     ex Poly = PolyInp.expand();
5169     
5170     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5171         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5172              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5173     @}
5174     cout << "As polynomial in y: " 
5175          << Poly.collect(y) << endl;
5176 @}
5177 @end example
5178
5179 When run, it returns an output in the following fashion:
5180
5181 @example
5182 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5183 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5184 The x^2-coefficient is -1
5185 The x^3-coefficient is 4*y
5186 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5187 @end example
5188
5189 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5190 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5191 within the user's sphere of influence.
5192
5193 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5194 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5195 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5196 constants, functions and indexed objects as well:
5197
5198 @example
5199 @{
5200     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5201     idx i(symbol("i"), 3);
5202
5203     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5204     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5205      // -> 4
5206     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5207      // -> -4*cos(x)
5208
5209     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5210     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5211     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5212      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5213 @}
5214 @end example
5215
5216
5217 @subsection Polynomial division
5218 @cindex polynomial division
5219 @cindex quotient
5220 @cindex remainder
5221 @cindex pseudo-remainder
5222 @cindex @code{quo()}
5223 @cindex @code{rem()}
5224 @cindex @code{prem()}
5225 @cindex @code{divide()}
5226
5227 The two functions
5228
5229 @example
5230 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5231 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5232 @end example
5233
5234 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5235 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5236
5237 The additional function
5238
5239 @example
5240 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5241 @end example
5242
5243 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5244 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5245
5246 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5247
5248 @example
5249 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5250 @end example
5251
5252 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5253 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5254 in which case the value of @code{q} is undefined.
5255
5256
5257 @subsection Unit, content and primitive part
5258 @cindex @code{unit()}
5259 @cindex @code{content()}
5260 @cindex @code{primpart()}
5261 @cindex @code{unitcontprim()}
5262
5263 The methods
5264
5265 @example
5266 ex ex::unit(const ex & x);
5267 ex ex::content(const ex & x);
5268 ex ex::primpart(const ex & x);
5269 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5270 @end example
5271
5272 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5273 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5274 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5275 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5276 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5277 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5278 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5279 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5280
5281 Additionally, the method
5282
5283 @example
5284 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5285 @end example
5286
5287 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5288 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5289
5290
5291 @subsection GCD, LCM and resultant
5292 @cindex GCD
5293 @cindex LCM
5294 @cindex @code{gcd()}
5295 @cindex @code{lcm()}
5296
5297 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5298 multiple have the synopsis
5299
5300 @example
5301 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5302 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5303 @end example
5304
5305 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5306 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5307 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5308 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5309 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5310 the coefficients must be rationals.
5311
5312 @example
5313 #include <ginac/ginac.h>
5314 using namespace GiNaC;
5315
5316 int main()
5317 @{
5318     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5319     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5320     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5321
5322     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5323     // x + 5*y + 4*z
5324     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5325     // 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
5326 @}
5327 @end example
5328
5329 @cindex resultant
5330 @cindex @code{resultant()}
5331
5332 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5333 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5334 expressions. The function has the interface
5335
5336 @example
5337 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5338 @end example
5339
5340 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5341 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5342 @code{y}, respectively:
5343
5344 @example
5345 #include <ginac/ginac.h>
5346 using namespace GiNaC;
5347
5348 int main()
5349 @{
5350     symbol x("x"), y("y");
5351
5352     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5353     ex r;
5354     
5355     r = resultant(e1, e2, x); 
5356     // -> 1+2*y^6
5357     r = resultant(e1, e2, y); 
5358     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5359 @}
5360 @end example
5361
5362 @subsection Square-free decomposition
5363 @cindex square-free decomposition
5364 @cindex factorization
5365 @cindex @code{sqrfree()}
5366
5367 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5368 @example
5369 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5370 @end example
5371 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5372 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5373 some care with subsequent processing of the result:
5374 @example
5375     ...
5376     symbol x("x"), y("y");
5377     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5378
5379     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5380      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5381
5382     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5383      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5384
5385     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5386      // -> depending on luck, any of the above
5387     ...
5388 @end example
5389 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5390 with this method.
5391
5392 @subsection Polynomial factorization
5393 @cindex factorization
5394 @cindex polynomial factorization
5395 @cindex @code{factor()}
5396
5397 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5398 @example
5399 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5400 @end example
5401 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5402 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5403 @example
5404     ...
5405     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5406      // -> (1+x)*(-1+x)
5407     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5408      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5409     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5410      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5411     ...
5412 @end example
5413 The results are as expected except for the last one where no factorization
5414 seems to have been done. This is due to the default option
5415 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5416 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5417 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5418
5419 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5420 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5421 arguments. With this option the example gives:
5422 @example
5423     ...
5424     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5425          << endl;
5426      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5427     ...
5428 @end example
5429 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5430 the following example does not factor:
5431 @example
5432     ...
5433     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5434      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5435     ...
5436 @end example
5437 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5438 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5439 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5440 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5441 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5442 cheaper and more appropriate alternative.
5443
5444 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5445 @c    node-name, next, previous, up
5446 @section Rational expressions
5447
5448 @subsection The @code{normal} method
5449 @cindex @code{normal()}
5450 @cindex simplification
5451 @cindex temporary replacement
5452
5453 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5454 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5455 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5456 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5457 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5458 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5459
5460 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5461 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5462 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5463 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5464 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5465 @code{.to_rational()}, described below.
5466
5467 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5468 simplified in this little code snippet:
5469
5470 @example
5471 @{
5472     symbol x("x");
5473     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5474     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5475     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5476     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5477 @}
5478 @end example
5479
5480 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5481 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5482 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5483
5484
5485 @subsection Numerator and denominator
5486 @cindex numerator
5487 @cindex denominator
5488 @cindex @code{numer()}
5489 @cindex @code{denom()}
5490 @cindex @code{numer_denom()}
5491
5492 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5493
5494 @example
5495 ex ex::numer();
5496 ex ex::denom();
5497 ex ex::numer_denom();
5498 @end example
5499
5500 These functions will first normalize the expression as described above and
5501 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5502 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5503 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5504 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5505 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5506 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5507
5508
5509 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5510 @cindex @code{to_polynomial()}
5511 @cindex @code{to_rational()}
5512
5513 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5514 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5515 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5516 above. You do this by calling
5517
5518 @example
5519 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5520 @end example
5521 or
5522 @example
5523 ex ex::to_rational(exmap & m);
5524 @end example
5525
5526 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5527 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5528 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5529 already contain a list of replacements from an earlier application of
5530 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5531 it on multiple expressions and get consistent results.
5532
5533 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5534 is probably best illustrated with an example:
5535
5536 @example
5537 @{
5538     symbol x("x"), y("y");
5539     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5540     cout << a << endl;
5541
5542     exmap mp;
5543     ex p = a.to_polynomial(mp);
5544     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5545      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5546      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5547
5548     exmap mr;
5549     ex r = a.to_rational(mr);
5550     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5551      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5552      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5553 @}
5554 @end example
5555
5556 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5557
5558 @example
5559 @{
5560     symbol x("x");
5561     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5562     ex b = sin(x) + cos(x);
5563     ex q;
5564     exmap m;
5565     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5566     cout << q.subs(m) << endl;
5567 @}
5568 @end example
5569
5570
5571 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5572 @c    node-name, next, previous, up
5573 @section Symbolic differentiation
5574 @cindex differentiation
5575 @cindex @code{diff()}
5576 @cindex chain rule
5577 @cindex product rule
5578
5579 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5580 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5581 the derivatives of all the monomials:
5582
5583 @example
5584 @{
5585     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5586     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5587
5588     cout << P.diff(x,2) << endl;
5589      // -> 20*x^3 + 2
5590     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5591      // -> 1
5592     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5593      // -> 0
5594 @}
5595 @end example
5596
5597 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5598 returns the @var{n}th derivative.
5599
5600 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5601 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5602 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5603 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5604 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5605 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5606 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5607 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5608 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5609 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5610 lines:
5611
5612 @cindex Euler numbers
5613 @example
5614 #include <ginac/ginac.h>
5615 using namespace GiNaC;
5616
5617 ex EulerNumber(unsigned n)
5618 @{
5619     symbol x;
5620     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5621     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5622 @}
5623
5624 int main()
5625 @{
5626     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5627         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5628     return 0;
5629 @}
5630 @end example
5631
5632 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5633 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5634 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5635
5636
5637 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5638 @c    node-name, next, previous, up
5639 @section Series expansion
5640 @cindex @code{series()}
5641 @cindex Taylor expansion
5642 @cindex Laurent expansion
5643 @cindex @code{pseries} (class)
5644 @cindex @code{Order()}
5645
5646 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5647 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5648 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5649 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5650 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5651 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5652 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5653 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5654 term).  A sample application from special relativity could read:
5655
5656 @example
5657 #include <ginac/ginac.h>
5658 using namespace std;
5659 using namespace GiNaC;
5660
5661 int main()
5662 @{
5663     symbol v("v"), c("c");
5664     
5665     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5666     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5667     
5668     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5669          << mass_nonrel << endl;
5670     
5671     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5672          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5673 @}
5674 @end example
5675
5676 Only calling the series method makes the last output simplify to
5677 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5678 series raised to the power @math{-2}.
5679
5680 @cindex Machin's formula
5681 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5682 value of Archimedes' constant
5683 @tex
5684 $\pi$
5685 @end tex
5686 @ifnottex
5687 @math{Pi}
5688 @end ifnottex
5689 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5690 using John Machin's amazing formula
5691 @tex
5692 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5693 @end tex
5694 @ifnottex
5695 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5696 @end ifnottex
5697 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5698 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5699 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5700 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5701 order term with it and the question arises what the system is supposed
5702 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5703 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5704 term off:
5705
5706 @example
5707 #include <ginac/ginac.h>
5708 using namespace GiNaC;
5709
5710 ex machin_pi(int degr)
5711 @{
5712     symbol x;
5713     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5714     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5715                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5716     return pi_approx;
5717 @}
5718
5719 int main()
5720 @{
5721     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5722     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5723     ex pi_frac;
5724     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5725         pi_frac = machin_pi(i);
5726         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5727              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5728     @}
5729     return 0;
5730 @}
5731 @end example
5732
5733 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5734 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5735 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5736 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5737 program, it will type out:
5738
5739 @example
5740 2:      3804/1195
5741         3.1832635983263598326
5742 4:      5359397032/1706489875
5743         3.1405970293260603143
5744 6:      38279241713339684/12184551018734375
5745         3.141621029325034425
5746 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5747         3.141591772182177295
5748 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5749         3.1415926824043995174
5750 @end example
5751
5752
5753 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5754 @c    node-name, next, previous, up
5755 @section Symmetrization
5756 @cindex @code{symmetrize()}
5757 @cindex @code{antisymmetrize()}
5758 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5759
5760 The three methods
5761
5762 @example
5763 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5764 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5765 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5766 @end example
5767
5768 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5769 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5770 weighted by the number of permutations.
5771
5772 The three additional methods
5773
5774 @example
5775 ex ex::symmetrize();
5776 ex ex::antisymmetrize();
5777 ex ex::symmetrize_cyclic();
5778 @end example
5779
5780 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5781
5782 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5783 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5784
5785 @example
5786 @{
5787     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5788     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5789                                            
5790     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5791      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5792     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5793      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5794     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5795      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5796 @}
5797 @end example
5798
5799 @page
5800
5801 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5802 @c    node-name, next, previous, up
5803 @section Predefined mathematical functions
5804 @c
5805 @subsection Overview
5806
5807 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5808
5809 @cartouche
5810 @multitable @columnfractions .30 .70
5811 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5812 @item @code{abs(x)}
5813 @tab absolute value
5814 @cindex @code{abs()}
5815 @item @code{step(x)}
5816 @tab step function
5817 @cindex @code{step()}
5818 @item @code{csgn(x)}
5819 @tab complex sign
5820 @cindex @code{conjugate()}
5821 @item @code{conjugate(x)}
5822 @tab complex conjugation
5823 @cindex @code{real_part()}
5824 @item @code{real_part(x)}
5825 @tab real part
5826 @cindex @code{imag_part()}
5827 @item @code{imag_part(x)}
5828 @tab imaginary part
5829 @item @code{sqrt(x)}
5830 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5831 @cindex @code{sqrt()}
5832 @item @code{sin(x)}
5833 @tab sine
5834 @cindex @code{sin()}
5835 @item @code{cos(x)}
5836 @tab cosine
5837 @cindex @code{cos()}
5838 @item @code{tan(x)}
5839 @tab tangent
5840 @cindex @code{tan()}
5841 @item @code{asin(x)}
5842 @tab inverse sine
5843 @cindex @code{asin()}
5844 @item @code{acos(x)}
5845 @tab inverse cosine
5846 @cindex @code{acos()}
5847 @item @code{atan(x)}
5848 @tab inverse tangent
5849 @cindex @code{atan()}
5850 @item @code{atan2(y, x)}
5851 @tab inverse tangent with two arguments
5852 @item @code{sinh(x)}
5853 @tab hyperbolic sine
5854 @cindex @code{sinh()}
5855 @item @code{cosh(x)}
5856 @tab hyperbolic cosine
5857 @cindex @code{cosh()}
5858 @item @code{tanh(x)}
5859 @tab hyperbolic tangent
5860 @cindex @code{tanh()}
5861 @item @code{asinh(x)}
5862 @tab inverse hyperbolic sine
5863 @cindex @code{asinh()}
5864 @item @code{acosh(x)}
5865 @tab inverse hyperbolic cosine
5866 @cindex @code{acosh()}
5867 @item @code{atanh(x)}
5868 @tab inverse hyperbolic tangent
5869 @cindex @code{atanh()}
5870 @item @code{exp(x)}
5871 @tab exponential function
5872 @cindex @code{exp()}
5873 @item @code{log(x)}
5874 @tab natural logarithm
5875 @cindex @code{log()}
5876 @item @code{eta(x,y)}
5877 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5878 @cindex @code{eta()}
5879 @item @code{Li2(x)}
5880 @tab dilogarithm
5881 @cindex @code{Li2()}
5882 @item @code{Li(m, x)}
5883 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5884 @cindex @code{Li()}
5885 @item @code{G(a, y)}
5886 @tab multiple polylogarithm
5887 @cindex @code{G()}
5888 @item @code{G(a, s, y)}
5889 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5890 @cindex @code{G()}
5891 @item @code{S(n, p, x)}
5892 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5893 @cindex @code{S()}
5894 @item @code{H(m, x)}
5895 @tab harmonic polylogarithm
5896 @cindex @code{H()}
5897 @item @code{zeta(m)}
5898 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5899 @cindex @code{zeta()}
5900 @item @code{zeta(m, s)}
5901 @tab alternating Euler sum
5902 @cindex @code{zeta()}
5903 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5904 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5905 @item @code{tgamma(x)}
5906 @tab gamma function
5907 @cindex @code{tgamma()}
5908 @cindex gamma function
5909 @item @code{lgamma(x)}
5910 @tab logarithm of gamma function
5911 @cindex @code{lgamma()}
5912 @item @code{beta(x, y)}
5913 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5914 @cindex @code{beta()}
5915 @item @code{psi(x)}
5916 @tab psi (digamma) function
5917 @cindex @code{psi()}
5918 @item @code{psi(n, x)}
5919 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5920 @item @code{factorial(n)}
5921 @tab factorial function @math{n!}
5922 @cindex @code{factorial()}
5923 @item @code{binomial(n, k)}
5924 @tab binomial coefficients
5925 @cindex @code{binomial()}
5926 @item @code{Order(x)}
5927 @tab order term function in truncated power series
5928 @cindex @code{Order()}
5929 @end multitable
5930 @end cartouche
5931
5932 @cindex branch cut
5933 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5934 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5935 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5936 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5937 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5938 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5939 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5940 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5941 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5942 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5943 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5944 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5945 counter clockwise direction.
5946
5947 @c
5948 @subsection Expanding functions
5949 @cindex expand trancedent functions
5950 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5951 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5952 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5953 @tex
5954 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5955 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5956 @end tex
5957 @ifnottex
5958 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5959 @end ifnottex
5960 or
5961 @tex
5962 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5963 @end tex
5964 @ifnottex
5965 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5966 @end ifnottex
5967 (for positive
5968 @tex
5969 $c,\ d$
5970 @end tex
5971 @ifnottex
5972 @command{c, d}
5973 @end ifnottex
5974 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5975 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5976 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
5977 usage and interaction can be seen from the following example:
5978 @example
5979 @{
5980         symbol x("x"),  y("y");
5981         ex e=exp(pow(x+y,2));
5982         cout << e.expand() << endl;
5983         // -> exp((x+y)^2)
5984         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
5985         // -> exp((x+y)^2)
5986         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
5987         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
5988         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
5989                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
5990         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
5991 @}
5992 @end example
5993 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
5994 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
5995 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
5996 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
5997 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
5998 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
5999
6000 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
6001 @c    node-name, next, previous, up
6002 @subsection Multiple polylogarithms
6003
6004 @cindex polylogarithm
6005 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6006 @cindex harmonic polylogarithm
6007 @cindex multiple zeta value
6008 @cindex alternating Euler sum
6009 @cindex multiple polylogarithm
6010
6011 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6012 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6013 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6014 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6015 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6016 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6017 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6018 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6019 notations are more natural to the series representation or the integral
6020 representation, respectively.
6021
6022 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6023 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6024 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6025
6026 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6027 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6028 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6029 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6030 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6031 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6032 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6033 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6034 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6035 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6036 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6037
6038 The functions print in LaTeX format as
6039 @tex
6040 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6041 @end tex
6042 @tex
6043 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6044 @end tex
6045 @tex
6046 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6047 @end tex
6048 @tex
6049 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6050 @end tex
6051 @ifnottex
6052 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6053 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6054 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6055 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6056 @end ifnottex
6057 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6058 are printed with a line above, e.g.
6059 @tex
6060 $\zeta(5,\overline{2})$.
6061 @end tex
6062 @ifnottex
6063 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6064 @end ifnottex
6065 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6066
6067 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6068 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6069 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6070 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6071
6072 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6073 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6074 the series representation. This means
6075 @tex
6076 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6077 @end tex
6078 @tex
6079 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6080 @end tex
6081 @tex
6082 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6083 @end tex
6084 @ifnottex
6085 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6086 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6087 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6088 @end ifnottex
6089 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6090 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6091
6092 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6093 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6094 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6095 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6096 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6097 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6098 @tex
6099 $\zeta(\overline{3},4)$
6100 @end tex
6101 @ifnottex
6102 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6103 @end ifnottex
6104 and
6105 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6106 @tex
6107 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6108 @end tex
6109 @ifnottex
6110 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6111 @end ifnottex
6112 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6113 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6114 e.g. @code{lst@{0,0,-1,0,1,0,0@}}, @code{lst@{0,0,-1,2,0,0@}} and @code{lst@{-3,2,0,0@}} are equivalent as
6115 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6116 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6117 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6118 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6119
6120 @example
6121 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6122 S(2,2,x)
6123 > H(@{-3,2@},1);
6124 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6125 > S(3,1,1);
6126 1/90*Pi^4
6127 @end example
6128
6129 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6130 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6131 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6132 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6133 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6134 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6135
6136 @example
6137 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6138 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6139 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6140 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6141 @end example
6142
6143 Every function can be numerically evaluated for
6144 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6145 global variable @code{Digits}:
6146
6147 @example
6148 > Digits=100;
6149 100
6150 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6151 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6152 @end example
6153
6154 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6155 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6156
6157 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6158 unevaluated, e.g.
6159 @tex
6160 $\zeta(1)$.
6161 @end tex
6162 @ifnottex
6163 @command{zeta(1)}.
6164 @end ifnottex
6165 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6166 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6167 cancellations of divergencies happen.
6168
6169 Useful publications:
6170
6171 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6172 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6173
6174 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6175 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6176
6177 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6178 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6179
6180 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6181 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6182
6183 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6184 @c    node-name, next, previous, up
6185 @section Complex expressions
6186 @c
6187 @cindex @code{conjugate()}
6188
6189 For dealing with complex expressions there are the methods
6190
6191 @example
6192 ex ex::conjugate();
6193 ex ex::real_part();
6194 ex ex::imag_part();
6195 @end example
6196
6197 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6198 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6199 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6200 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6201 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6202 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6203 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6204 (symbols are complex by default), one could not simplify
6205 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6206 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6207
6208 For example,
6209 @example
6210 @{
6211     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6212     symbol x("x");
6213     realsymbol y("y");
6214                                            
6215     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6216      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6217     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6218      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6219 @}
6220 @end example
6221
6222 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6223 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6224 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6225 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6226 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6227 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6228 parts of user-defined functions.
6229
6230 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6231 @c    node-name, next, previous, up
6232 @section Solving linear systems of equations
6233 @cindex @code{lsolve()}
6234
6235 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6236 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6237 needs to be solved:
6238
6239 @example
6240 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6241           unsigned options = solve_algo::automatic);
6242 @end example
6243
6244 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6245 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6246 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6247 @code{lst}).
6248
6249 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6250 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6251
6252 @example
6253 @{
6254     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6255     lst eqns, vars;
6256     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6257     vars = x, y;
6258     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6259      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6260 @end example
6261
6262 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6263 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6264 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6265 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6266 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6267 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6268 around that method.
6269
6270
6271 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6272 @c    node-name, next, previous, up
6273 @section Input and output of expressions
6274 @cindex I/O
6275
6276 @subsection Expression output
6277 @cindex printing
6278 @cindex output of expressions
6279
6280 Expressions can simply be written to any stream:
6281
6282 @example
6283 @{
6284     symbol x("x");
6285     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6286     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6287     // ...
6288 @end example
6289
6290 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6291 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6292 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6293 is printed as @samp{x^2}).
6294
6295 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6296 a set of stream manipulators;
6297
6298 @example
6299 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6300 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6301 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6302 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6303 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6304 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6305 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6306 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6307 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6308 @end example
6309
6310 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6311 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6312 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6313
6314 @cindex @code{dflt}
6315 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6316 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6317
6318 @example
6319     // ...
6320     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6321                               // now on
6322     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6323     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6324     cout << dflt;             // revert to default output format
6325     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6326     // ...
6327 @end example
6328
6329 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6330 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6331
6332 @example
6333     // ...
6334     ostringstream s;
6335     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6336     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6337     // ...
6338 @end example
6339
6340 @anchor{csrc printing}
6341 @cindex @code{csrc}
6342 @cindex @code{csrc_float}
6343 @cindex @code{csrc_double}
6344 @cindex @code{csrc_cl_N}
6345 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6346 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6347 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6348 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6349 classes provided by the CLN library):
6350
6351 @example
6352     // ...
6353     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6354     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6355     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6356     // ...
6357 @end example
6358
6359 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6360 @code{x*x}):
6361
6362 @example
6363 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6364 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6365 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6366 @end example
6367
6368 @cindex @code{tree}
6369 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6370 expression for debugging purposes:
6371
6372 @example
6373     // ...
6374     cout << tree << e;
6375 @}
6376 @end example
6377
6378 produces
6379
6380 @example
6381 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6382     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6383         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6384         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6385     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6386     -----
6387     overall_coeff
6388     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6389     =====
6390 @end example
6391
6392 @cindex @code{latex}
6393 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6394 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6395 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6396 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6397 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6398 constructor.
6399
6400 For example, the code snippet
6401
6402 @example
6403 @{
6404     symbol x("x", "\\circ");
6405     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6406     cout << latex << e << endl;
6407 @}
6408 @end example
6409
6410 will print
6411
6412 @example
6413     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6414     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6415 @end example
6416
6417 @cindex @code{index_dimensions}
6418 @cindex @code{no_index_dimensions}
6419 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6420 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6421 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6422 formats:
6423
6424 @example
6425 @{
6426     symbol x("x"), y("y");
6427     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6428     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6429
6430     cout << e << endl;
6431      // prints 'x~mu*y~nu'
6432     cout << index_dimensions << e << endl;
6433      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6434     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6435      // prints 'x~mu*y~nu'
6436 @}
6437 @end example
6438
6439
6440 @cindex Tree traversal
6441 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6442 with other algebra systems or for producing code for different
6443 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6444
6445 @example
6446 static void my_print(const ex & e)
6447 @{
6448     if (is_a<function>(e))
6449         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6450     else
6451         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6452     cout << "(";
6453     size_t n = e.nops();
6454     if (n)
6455         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6456             my_print(e.op(i));
6457             if (i != n-1)
6458                 cout << ",";
6459         @}
6460     else
6461         cout << e;
6462     cout << ")";
6463 @}
6464
6465 int main()
6466 @{
6467     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6468     return 0;
6469 @}
6470 @end example
6471
6472 This will produce
6473
6474 @example
6475 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6476 symbol(y))),numeric(-2)))
6477 @end example
6478
6479 If you need an output format that makes it possible to accurately
6480 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6481 object factory, you should consider storing the expression in an
6482 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6483 See the section on archiving for more information.
6484
6485
6486 @subsection Expression input
6487 @cindex input of expressions
6488
6489 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6490 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6491 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6492 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6493 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6494
6495 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6496 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6497
6498 @example
6499 @{
6500     symbol x, y;
6501     symtab table;
6502     table["x"] = x;
6503     table["y"] = y;
6504     parser reader(table);
6505     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6506 @}
6507 @end example
6508
6509 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6510 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6511 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6512 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6513 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6514 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6515
6516 @example
6517 @{
6518     symbol x, y;
6519     symtab table;
6520     table["x"] = x+log(y)+1;
6521     parser reader(table);
6522     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6523     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6524 @}
6525 @end example
6526
6527 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6528 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6529 with @code{get_syms()} method:
6530
6531 @example
6532 @{
6533     parser reader;
6534     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6535     symtab table = reader.get_syms();
6536     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6537     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6538 @}
6539 @end example
6540
6541 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6542 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6543
6544 @example
6545 @{
6546         symtab table;
6547         table["x"] = symbol();
6548         parser reader(table);
6549         parser.strict = true;
6550         ex e;
6551         try @{
6552                 e = reader("2*x+sin(y)");
6553         @} catch (parse_error& err) @{
6554                 cerr << err.what() << endl;
6555                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6556         @}
6557 @}
6558 @end example
6559
6560 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6561 When running the following program interactively, remember to send an
6562 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6563
6564 @example
6565 #include <iostream>
6566 #include <string>
6567 #include <stdexcept>
6568 #include <ginac/ginac.h>
6569 using namespace std;
6570 using namespace GiNaC;
6571
6572 int main()
6573 @{
6574         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6575         parser reader;
6576
6577         try @{
6578                 ex e = reader(cin);
6579                 symtab table = reader.get_syms();
6580                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6581                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6582                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6583                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6584         @} catch (exception &p) @{
6585                 cerr << p.what() << endl;
6586         @}
6587 @}
6588 @end example
6589
6590 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6591 @cindex compiling expressions
6592
6593 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6594 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6595 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6596 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6597 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6598 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6599 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6600 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6601 the numerical evaluation into different execution stages.
6602
6603 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6604 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6605 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6606 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6607 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6608 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6609
6610 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6611
6612 @example
6613     // ...
6614     symbol x("x");
6615     ex myexpr = sin(x) / x;
6616
6617     FUNCP_1P fp;
6618     compile_ex(myexpr, x, fp);
6619
6620     cout << fp(3.2) << endl;
6621     // ...
6622 @end example
6623
6624 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6625 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6626 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6627 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6628
6629 @cindex FUNCP_1P
6630 @cindex FUNCP_2P
6631 @cindex FUNCP_CUBA
6632 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6633 pointer types at the moment:
6634
6635 @example
6636     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6637     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6638     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6639 @end example
6640
6641 @cindex CUBA library
6642 @cindex Monte Carlo integration
6643 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6644 the correct type to be used with the CUBA library
6645 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6646 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6647
6648 @cindex compile_ex
6649 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6650
6651 @example
6652     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6653                     const std::string filename = "");
6654     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6655                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6656     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6657                     const std::string filename = "");
6658 @end example
6659
6660 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6661 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6662 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6663 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6664 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6665 deleted.
6666
6667 @cindex link_ex
6668 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6669 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6670 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6671 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6672 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6673 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6674 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6675
6676 @example
6677     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6678     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6679     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6680 @end example
6681
6682 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6683 to be supplied.
6684
6685 The function
6686
6687 @cindex unlink_ex
6688 @example
6689     void unlink_ex(const std::string filename);
6690 @end example
6691
6692 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6693 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6694 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6695 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6696
6697 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6698 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6699 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6700 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6701 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6702 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6703 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6704 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6705
6706 @cindex ginac-excompiler
6707 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6708 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6709 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6710 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6711 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6712
6713 @example
6714 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6715 compile_ex(...);
6716 @end example
6717
6718 @subsection Archiving
6719 @cindex @code{archive} (class)
6720 @cindex archiving
6721
6722 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6723 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6724 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6725 expression a unique name:
6726
6727 @example
6728 #include <fstream>
6729 using namespace std;
6730 #include <ginac/ginac.h>
6731 using namespace GiNaC;
6732
6733 int main()
6734 @{
6735     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6736
6737     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6738     ex bar = foo + 1;
6739
6740     archive a;
6741     a.archive_ex(foo, "foo");
6742     a.archive_ex(bar, "the second one");
6743     // ...
6744 @end example
6745
6746 The archive can then be written to a file:
6747
6748 @example
6749     // ...
6750     ofstream out("foobar.gar");
6751     out << a;
6752     out.close();
6753     // ...
6754 @end example
6755
6756 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6757 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6758
6759 @cindex @command{viewgar}
6760 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6761 the contents of GiNaC archive files:
6762
6763 @example
6764 $ viewgar foobar.gar
6765 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6766 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6767 @end example
6768
6769 The point of writing archive files is of course that they can later be
6770 read in again:
6771
6772 @example
6773     // ...
6774     archive a2;
6775     ifstream in("foobar.gar");
6776     in >> a2;
6777     // ...
6778 @end example
6779
6780 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6781
6782 @example
6783     // ...
6784     lst syms;
6785     syms = x, y;
6786
6787     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6788     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6789
6790     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6791     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6792     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6793 @}
6794 @end example
6795
6796 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6797 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6798 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6799 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6800 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6801 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6802 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6803 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6804
6805 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6806 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6807 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6808 functions that let you access the stored properties:
6809
6810 @example
6811 static void my_print2(const archive_node & n)
6812 @{
6813     string class_name;
6814     n.find_string("class", class_name);
6815     cout << class_name << "(";
6816
6817     archive_node::propinfovector p;
6818     n.get_properties(p);
6819
6820     size_t num = p.size();
6821     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6822         const string &name = p[i].name;
6823         if (name == "class")
6824             continue;
6825         cout << name << "=";
6826
6827         unsigned count = p[i].count;
6828         if (count > 1)
6829             cout << "@{";
6830
6831         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6832             switch (p[i].type) @{
6833                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6834                     bool x;
6835                     n.find_bool(name, x, j);
6836                     cout << (x ? "true" : "false");
6837                     break;
6838                 @}
6839                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6840                     unsigned x;
6841                     n.find_unsigned(name, x, j);
6842                     cout << x;
6843                     break;
6844                 @}
6845                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6846                     string x;
6847                     n.find_string(name, x, j);
6848                     cout << '\"' << x << '\"';
6849                     break;
6850                 @}
6851                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6852                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6853                     my_print2(x);
6854                     break;
6855                 @}
6856             @}
6857
6858             if (j != count-1)
6859                 cout << ",";
6860         @}
6861
6862         if (count > 1)
6863             cout << "@}";
6864
6865         if (i != num-1)
6866             cout << ",";
6867     @}
6868
6869     cout << ")";
6870 @}
6871
6872 int main()
6873 @{
6874     ex e = pow(2, x) - y;
6875     archive ar(e, "e");
6876     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6877     return 0;
6878 @}
6879 @end example
6880
6881 This will produce:
6882
6883 @example
6884 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6885 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6886 overall_coeff=numeric(number="0"))
6887 @end example
6888
6889 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6890 class may change between GiNaC versions.
6891
6892
6893 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6894 @c    node-name, next, previous, up
6895 @chapter Extending GiNaC
6896
6897 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6898 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6899 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6900 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6901 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6902 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6903
6904 @menu
6905 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6906 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6907 * Printing::                         Adding new output formats.
6908 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6909 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6910 @end menu
6911
6912
6913 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6914 @c    node-name, next, previous, up
6915 @section What doesn't belong into GiNaC
6916
6917 @cindex @command{ginsh}
6918 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6919 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6920 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6921 language.  There are no loops or conditional expressions in
6922 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6923 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6924 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6925 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6926 the future.
6927
6928 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6929 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6930 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6931 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6932 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6933 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6934 provided by CLN are much better suited.
6935
6936
6937 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6938 @c    node-name, next, previous, up
6939 @section Symbolic functions
6940
6941 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6942 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6943 two preprocessor macros:
6944
6945 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6946 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6947 @example
6948 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6949 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6950 @end example
6951
6952 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6953 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6954 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6955 @code{function} object that represents your function.
6956
6957 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6958 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6959 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6960 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6961 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6962 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6963 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6964 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6965
6966 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6967 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6968 done our best to avoid macros where we can.)
6969
6970 @subsection A minimal example
6971
6972 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6973 that is not further evaluated:
6974
6975 @example
6976 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6977
6978 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6979 @end example
6980
6981 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6982 in algebraic expressions:
6983
6984 @example
6985 @{
6986     ...
6987     symbol x("x");
6988     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6989     cout << e << endl;
6990      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6991     ...
6992 @}
6993 @end example
6994
6995 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6996 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6997 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6998 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6999
7000 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
7001 example of how to make an "intelligent" function.
7002
7003 @subsection The cosine function
7004
7005 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7006
7007 @example
7008 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7009 @end example
7010
7011 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7012 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7013 this function in expressions.
7014
7015 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7016 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7017
7018 @example
7019 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7020                        evalf_func(cos_evalf).
7021                        derivative_func(cos_deriv).
7022                        latex_name("\\cos"));
7023 @end example
7024
7025 There are four options defined for the cosine function. One of them
7026 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7027 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7028 function are defined.
7029
7030 @cindex @code{hold()}
7031 @cindex evaluation
7032 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7033 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7034 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7035 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7036 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7037 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7038 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7039 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7040 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7041 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7042 somewhere.
7043
7044 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7045 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7046 what is going on):
7047
7048 @example
7049 static ex cos_eval(const ex & x)
7050 @{
7051     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7052         return 1;
7053     else if ("x is a multiple of Pi")
7054         return -1;
7055     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7056         return 0;
7057     // more rules...
7058
7059     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7060         return y;
7061     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7062         return sqrt(1-y^2);
7063     // more rules...
7064
7065     else
7066         return cos(x).hold();
7067 @}
7068 @end example
7069
7070 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7071
7072 @example
7073 @{
7074     ...
7075     e = cos(Pi);
7076      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7077      // the actual expression
7078     cout << e << endl;
7079      // prints '-1'
7080     ...
7081 @}
7082 @end example
7083
7084 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7085 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7086 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7087 with @code{.hold()}.
7088
7089 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7090 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7091 different function:
7092
7093 @example
7094 static ex cos_evalf(const ex & x)
7095 @{
7096     if (is_a<numeric>(x))
7097         return cos(ex_to<numeric>(x));
7098     else
7099         return cos(x).hold();
7100 @}
7101 @end example
7102
7103 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7104 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7105 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7106 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7107 function would require it in this place.
7108
7109 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7110 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7111 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7112 @code{ex::diff}):
7113
7114 @example
7115 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7116 @{
7117     return -sin(x);
7118 @}
7119 @end example
7120
7121 @cindex product rule
7122 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7123 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7124 case the function has more than one parameter, and its main application
7125 is for correct handling of the chain rule.
7126
7127 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7128 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7129 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7130
7131 @example
7132 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7133 @{
7134         return Order(arg.diff(s));
7135 @}
7136 @end example
7137
7138 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7139 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7140 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7141 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7142 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7143 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7144 @code{derivative_func}. 
7145
7146 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7147 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7148 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7149 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7150
7151 @example
7152 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7153                      int order, unsigned options)
7154 @{
7155     // Find the actual expansion point
7156     const ex x_pt = x.subs(rel);
7157
7158     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7159         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7160
7161     // On a pole, expand sin()/cos()
7162     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7163 @}
7164 @end example
7165
7166 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7167 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7168
7169 @subsection Function options
7170
7171 GiNaC functions understand several more options which are always
7172 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7173 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7174 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7175 functions without any special options.
7176
7177 @example
7178 eval_func(<C++ function>)
7179 evalf_func(<C++ function>)
7180 derivative_func(<C++ function>)
7181 expl_derivative_func(<C++ function>)
7182 series_func(<C++ function>)
7183 conjugate_func(<C++ function>)
7184 @end example
7185
7186 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7187 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7188 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7189 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7190
7191 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7192 automatic evaluation is desired or possible.
7193
7194 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7195 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7196 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7197 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7198 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7199 suitable transformation.
7200
7201 @example
7202 latex_name(const string & n)
7203 @end example
7204
7205 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7206 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7207
7208 @example
7209 do_not_evalf_params()
7210 @end example
7211
7212 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7213 function before calling the @code{evalf_func()}.
7214
7215 @example
7216 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7217 @end example
7218
7219 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7220 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7221 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7222 @code{return_type_t} created like
7223
7224 @example
7225 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7226 @end example
7227
7228 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7229 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7230 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7231 @code{make_return_type_t<>()} 
7232
7233 @example
7234 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7235 @end example
7236
7237 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7238 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7239 details).
7240
7241 @example
7242 set_symmetry(const symmetry & s)
7243 @end example
7244
7245 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7246 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7247 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7248 symmetric functions into a canonical order.
7249
7250 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7251 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7252 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7253 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7254 with the
7255
7256 @example
7257 print_func<C>(<C++ function>)
7258 @end example
7259
7260 option which is explained in the next section.
7261
7262 @subsection Functions with a variable number of arguments
7263
7264 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7265 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7266 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7267 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7268 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7269
7270 It is also possible to define functions that accept a different number of
7271 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7272 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7273 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7274 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7275 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7276 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7277 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7278 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7279
7280
7281 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7282 @c    node-name, next, previous, up
7283 @section GiNaC's expression output system
7284
7285 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7286 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7287 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7288 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7289 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7290 functions.
7291
7292 @cindex @code{print_context} (class)
7293 @cindex @code{print_dflt} (class)
7294 @cindex @code{print_latex} (class)
7295 @cindex @code{print_tree} (class)
7296 @cindex @code{print_csrc} (class)
7297 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7298 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7299 header file:
7300
7301 @table @code
7302 @item print_dflt
7303 the default output format
7304 @item print_latex
7305 output in LaTeX mathematical mode
7306 @item print_tree
7307 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7308 @item print_csrc
7309 the base class for C source output
7310 @item print_csrc_float
7311 C source output using the @code{float} type
7312 @item print_csrc_double
7313 C source output using the @code{double} type
7314 @item print_csrc_cl_N
7315 C source output using CLN types
7316 @end table
7317
7318 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7319
7320 @example
7321 class print_context
7322 @{
7323     ...
7324 public:
7325     std::ostream & s;
7326     unsigned options;
7327 @};
7328 @end example
7329
7330 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7331 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7332 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7333 to print the index dimension which is normally hidden.
7334
7335 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7336 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7337 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7338 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7339
7340 @cindex @code{print()}
7341 @example
7342 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7343 @end example
7344
7345 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7346 top-level algebraic object contained in the expression.
7347
7348 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7349 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7350 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7351 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7352 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7353 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7354 (single) virtual function dispatch.
7355
7356 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7357 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7358 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7359 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7360 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7361 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7362 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7363 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7364 object's class name enclosed in square brackets).
7365
7366 You can think of the print methods of all the different classes and output
7367 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7368 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7369 classes.
7370
7371 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7372 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7373 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7374 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7375 methods at run-time).
7376
7377 @subsection Print methods for classes
7378
7379 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7380 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7381 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7382 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7383 can also be used to override existing methods dynamically.
7384
7385 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7386 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7387 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7388 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7389 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7390 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7391 the class is the one being implemented by
7392 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7393
7394 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7395 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7396 @code{unsigned}.
7397
7398 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7399 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7400 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7401 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7402 private and protected members of @code{T}.
7403
7404 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7405 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7406 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7407 purposes if you write your own output formats.
7408
7409 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7410 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7411 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7412 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7413
7414 @example
7415 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7416                              const print_latex & c,
7417                              unsigned level)
7418 @{
7419     // get the precedence of the 'power' class
7420     unsigned power_prec = p.precedence();
7421
7422     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7423     // we need parentheses around the power
7424     if (level >= power_prec)
7425         c.s << '(';
7426
7427     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7428     // separated by an uparrow
7429     c.s << '@{';
7430     p.op(0).print(c, power_prec);
7431     c.s << "@}\\uparrow@{";
7432     p.op(1).print(c, power_prec);
7433     c.s << '@}';
7434
7435     // don't forget the closing parenthesis
7436     if (level >= power_prec)
7437         c.s << ')';
7438 @}
7439                                                                                 
7440 int main()
7441 @{
7442     // a sample expression
7443     symbol x("x"), y("y");
7444     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7445
7446     // switch to LaTeX mode
7447     cout << latex;
7448
7449     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7450     cout << e << endl;
7451
7452     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7453     // our own one
7454     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7455
7456     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7457     //              \uparrow@{2@}@}"
7458     cout << e << endl;
7459 @}
7460 @end example
7461
7462 Some notes:
7463
7464 @itemize
7465
7466 @item
7467 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7468 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7469
7470 @item
7471 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7472 @code{power} objects for the purpose of printing.
7473
7474 @item
7475 The output of products including negative powers as fractions is also
7476 controlled by the @code{mul} class.
7477
7478 @item
7479 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7480 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7481
7482 @end itemize
7483
7484 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7485 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7486 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7487 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7488 sources, find the method that is installed at startup
7489 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7490 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7491
7492 @subsection Print methods for functions
7493
7494 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7495 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7496 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7497 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7498 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7499
7500 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7501
7502 @example
7503 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7504 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7505                                                                                 
7506 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7507 @{
7508     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7509 @}
7510                                                                                 
7511 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7512 @{
7513     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7514 @}
7515                                                                                 
7516 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7517                        evalf_func(abs_evalf).
7518                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7519                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7520                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7521 @end example
7522
7523 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7524 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7525
7526 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7527
7528 @subsection Adding new output formats
7529
7530 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7531 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7532 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7533 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7534 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7535 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7536 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7537 options value.
7538
7539 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7540
7541 @example
7542 class print_myformat : public print_dflt
7543 @{
7544     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7545 public:
7546     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7547      : print_dflt(os, opt) @{@}
7548 @};
7549
7550 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7551
7552 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7553 @end example
7554
7555 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7556 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7557 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7558 format are implemented as print methods, as described above.
7559
7560 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7561 exactly like GiNaC's default output format:
7562
7563 @example
7564 @{
7565     symbol x("x");
7566     ex e = pow(x, 2) + 1;
7567
7568     // this prints "1+x^2"
7569     cout << e << endl;
7570     
7571     // this also prints "1+x^2"
7572     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7573
7574     ...
7575 @}
7576 @end example
7577
7578 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7579 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7580
7581 @example
7582 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7583 // example above for explanations.
7584 void print_power_as_myformat(const power & p,
7585                              const print_myformat & c,
7586                              unsigned level)
7587 @{
7588     unsigned power_prec = p.precedence();
7589     if (level >= power_prec)
7590         c.s << '(';
7591     p.op(0).print(c, power_prec);
7592     c.s << "**";
7593     p.op(1).print(c, power_prec);
7594     if (level >= power_prec)
7595         c.s << ')';
7596 @}
7597
7598 @{
7599     ...
7600     // install a new print method for power objects
7601     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7602
7603     // now this prints "1+x**2"
7604     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7605
7606     // but the default format is still "1+x^2"
7607     cout << e << endl;
7608 @}
7609 @end example
7610
7611
7612 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7613 @c    node-name, next, previous, up
7614 @section Structures
7615
7616 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7617 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7618 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7619 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7620 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7621
7622 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7623 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7624 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7625 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7626 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7627 read both sections because many common concepts and member functions are
7628 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7629 is most suited to your needs.
7630
7631 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7632 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7633 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7634
7635 @subsection Example: scalar products
7636
7637 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7638 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7639 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7640 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7641 product in a C++ @code{struct}:
7642
7643 @example
7644 #include <iostream>
7645 using namespace std;
7646
7647 #include <ginac/ginac.h>
7648 using namespace GiNaC;
7649
7650 struct sprod_s @{
7651     ex left, right;
7652
7653     sprod_s() @{@}
7654     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7655 @};
7656 @end example
7657
7658 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7659 data structure, we need only one line:
7660
7661 @example
7662 typedef structure<sprod_s> sprod;
7663 @end example
7664
7665 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7666 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7667 expressions like any other GiNaC class:
7668
7669 @example
7670 ...
7671     symbol a("a"), b("b");
7672     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7673 ...
7674 @end example
7675
7676 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7677 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7678 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7679 constructed from an @code{sprod_s} object.
7680
7681 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7682 you could define a little wrapper function like this:
7683
7684 @example
7685 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7686 @{
7687     return sprod(sprod_s(left, right));
7688 @}
7689 @end example
7690
7691 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7692 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7693 @code{get_struct()}:
7694
7695 @example
7696 ...
7697     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7698      // -> a
7699     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7700      // -> b
7701 ...
7702 @end example
7703
7704 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7705
7706 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7707 that deal with scalar products, for example:
7708
7709 @example
7710 ex swap_sprod(ex p)
7711 @{
7712     if (is_a<sprod>(p)) @{
7713         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7714         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7715     @} else
7716         return p;
7717 @}
7718
7719 ...
7720     f = swap_sprod(e);
7721      // f is now <b|a>
7722 ...
7723 @end example
7724
7725 @subsection Structure output
7726
7727 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7728 desired, most notably proper output:
7729
7730 @example
7731 ...
7732     cout << e << endl;
7733      // -> [structure object]
7734 ...
7735 @end example
7736
7737 By default, any structure types you define will be printed as
7738 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7739 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7740 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7741 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7742 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7743 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7744
7745 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7746 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7747
7748 @example
7749 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7750 @{
7751     // tree debug output handled by superclass
7752     if (is_a<print_tree>(c))
7753         inherited::print(c, level);
7754
7755     // get the contained sprod_s object
7756     const sprod_s & sp = get_struct();
7757
7758     // print_context::s is a reference to an ostream
7759     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7760 @}
7761 @end example
7762
7763 Now we can print expressions containing scalar products:
7764
7765 @example
7766 ...
7767     cout << e << endl;
7768      // -> <a|b>
7769     cout << swap_sprod(e) << endl;
7770      // -> <b|a>
7771 ...
7772 @end example
7773
7774 @subsection Comparing structures
7775
7776 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7777 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7778 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7779 and undesired behavior:
7780
7781 @example
7782 ...
7783     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7784      // -> 0
7785     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7786      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7787 ...
7788 @end example
7789
7790 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7791 for objects of type @code{sprod_s}:
7792
7793 @example
7794 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7795 @{
7796     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7797 @}
7798
7799 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7800 @{
7801     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7802            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7803 @}
7804 @end example
7805
7806 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7807 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7808 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7809 in the implementation of these operators because they would construct
7810 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7811 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7812 decide which one is algebraically 'less').
7813
7814 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7815 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7816
7817 @example
7818 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7819 @end example
7820
7821 @code{sprod} objects then behave as expected:
7822
7823 @example
7824 ...
7825     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7826      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7827     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7828      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7829     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7830      // -> 0
7831     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7832      // -> 2*<a|b>
7833 ...
7834 @end example
7835
7836 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7837 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7838 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7839 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7840 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7841 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7842
7843 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7844 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7845 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7846 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7847 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7848 undefined value) that the @code{T} class might have.
7849
7850 @subsection Subexpressions
7851
7852 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7853 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7854 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7855
7856 @example
7857 size_t sprod::nops() const
7858 @{
7859     return 2;
7860 @}
7861
7862 ex sprod::op(size_t i) const
7863 @{
7864     switch (i) @{
7865     case 0:
7866         return get_struct().left;
7867     case 1:
7868         return get_struct().right;
7869     default:
7870         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7871     @}
7872 @}
7873 @end example
7874
7875 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7876 @code{sprod} has two other nice side effects:
7877
7878 @itemize @bullet
7879 @item
7880 @code{has()} works as expected
7881 @item
7882 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7883 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7884 @end itemize
7885
7886 @cindex @code{let_op()}
7887 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7888 allows replacing subexpressions:
7889
7890 @example
7891 ex & sprod::let_op(size_t i)
7892 @{
7893     // every non-const member function must call this
7894     ensure_if_modifiable();
7895
7896     switch (i) @{
7897     case 0:
7898         return get_struct().left;
7899     case 1:
7900         return get_struct().right;
7901     default:
7902         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7903     @}
7904 @}
7905 @end example
7906
7907 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7908 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7909 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7910 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7911
7912 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7913 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7914 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7915 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7916 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7917 This is left as an exercise for the reader.
7918
7919 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7920 you can override by specialization to customize the behavior of your
7921 structures. You are referred to the next section for a description of
7922 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7923 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7924 @code{structure<T>} template: archiving.
7925
7926 @subsection Archiving structures
7927
7928 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7929 should first read the next section and then come back here. You're back?
7930 Good.
7931
7932 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7933 specializations for the @code{archive()} member function and the
7934 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7935 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7936 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7937 the class of an object is stored as a string, the class name.
7938
7939 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7940 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7941 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7942 need to provide a different name for each by specializing the
7943 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7944 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7945
7946 @example
7947 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7948
7949 void sprod::archive(archive_node & n) const
7950 @{
7951     inherited::archive(n);
7952     n.add_ex("left", get_struct().left);
7953     n.add_ex("right", get_struct().right);
7954 @}
7955
7956 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7957 @{
7958     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7959     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7960 @}
7961 @end example
7962
7963 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7964 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7965 @code{sprod::unarchive()} function.
7966
7967
7968 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7969 @c    node-name, next, previous, up
7970 @section Adding classes
7971
7972 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7973 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7974 severe of which being that you can't add any new member functions to
7975 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7976 from scratch.
7977
7978 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7979 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7980 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7981 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7982 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7983 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7984 representing tensor products is more involved but this section should give
7985 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7986 classes if you want to implement something more complicated.
7987
7988 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7989
7990 @cindex hierarchy of classes
7991 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7992 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7993 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
7994 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
7995 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
7996 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
7997 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
7998 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
7999 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
8000 in @file{registrar.h}):
8001 @itemize @bullet
8002 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
8003 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
8004 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8005 @end itemize
8006
8007 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8008 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8009 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8010 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8011 the opening brace of the class definition.
8012
8013 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8014 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8015 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8016 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8017 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8018
8019 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8020 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8021 options, such as custom printing functions.
8022
8023 @subsection A minimalistic example
8024
8025 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8026 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8027 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8028 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8029 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8030 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8031
8032 The code snippets given here assume that you have included some header files
8033 as follows:
8034
8035 @example
8036 #include <iostream>
8037 #include <string>   
8038 #include <stdexcept>
8039 using namespace std;
8040
8041 #include <ginac/ginac.h>
8042 using namespace GiNaC;
8043 @end example
8044
8045 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8046 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8047 object from a string:
8048
8049 @example
8050 class mystring : public basic
8051 @{
8052     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8053   
8054 public:
8055     mystring(const string & s);
8056
8057 private:
8058     string str;
8059 @};
8060
8061 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8062 @end example
8063
8064 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8065 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8066 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8067 of a class so that printing and (un)archiving works.
8068
8069 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8070 class:
8071
8072 @itemize
8073
8074 @item
8075 @code{mystring()}, the default constructor.
8076
8077 @item
8078 @cindex @code{compare_same_type()}
8079 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8080 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8081 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8082 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8083 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8084 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8085 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8086 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8087 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8088 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8089 defined.
8090
8091 @item
8092 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8093 we declared.
8094
8095 @end itemize
8096
8097 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8098
8099 @example
8100 mystring::mystring() @{ @}
8101 @end example
8102
8103 In the default constructor you should set all other member variables to
8104 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8105 member gets set to an empty string automatically).
8106
8107 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8108 the string members:
8109
8110 @example
8111 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8112 @{
8113     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8114     int cmpval = str.compare(o.str);
8115     if (cmpval == 0)
8116         return 0;
8117     else if (cmpval < 0)
8118         return -1;
8119     else
8120         return 1;
8121 @}
8122 @end example
8123
8124 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8125 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8126 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8127 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8128 all relevant member variables.
8129
8130 Now the only thing missing is our constructor:
8131
8132 @example
8133 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8134 @end example
8135
8136 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8137
8138 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8139 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8140
8141 @example
8142 ex e = mystring("Hello, world!");
8143 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8144  // -> 1 (true)
8145
8146 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8147  // -> mystring
8148 @end example
8149
8150 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8151
8152 @example
8153 cout << e << endl;
8154  // -> [mystring object]
8155 @end example
8156
8157 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8158 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8159 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8160 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8161 surrounded by double quotes:
8162
8163 @example
8164 class mystring : public basic
8165 @{
8166     ...
8167 protected:
8168     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8169     ...
8170 @};
8171
8172 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8173 @{
8174     // print_context::s is a reference to an ostream
8175     c.s << '\"' << str << '\"';
8176 @}
8177 @end example
8178
8179 The @code{level} argument is only required for container classes to
8180 correctly parenthesize the output.
8181
8182 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8183 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8184 replace the line
8185
8186 @example
8187 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8188 @end example
8189
8190 with
8191
8192 @example
8193 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8194   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8195 @end example
8196
8197 Let's try again to print the expression:
8198
8199 @example
8200 cout << e << endl;
8201  // -> "Hello, world!"
8202 @end example
8203
8204 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8205 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8206 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8207 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8208 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8209 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8210 way expression output is implemented in GiNaC.
8211
8212 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8213
8214 @example
8215 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8216 cout << e << endl;
8217  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8218 @end example
8219
8220 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8221
8222 @example
8223 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8224 cout << e << endl;
8225  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8226 @end example
8227
8228 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8229 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8230 for your objects.
8231
8232 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8233
8234 @example
8235 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8236 cout << e << endl;
8237  // -> "Wow"^2
8238
8239 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8240 cout << e.expand() << endl;
8241  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8242 @end example
8243
8244 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8245 concatenation. You would have to implement this yourself.
8246
8247 @subsection Automatic evaluation
8248
8249 @cindex evaluation
8250 @cindex @code{eval()}
8251 @cindex @code{hold()}
8252 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8253 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8254 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8255 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8256 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8257 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8258
8259 @example
8260 class mystring : public basic
8261 @{
8262     ...
8263 public:
8264     ex eval() const override;
8265     ...
8266 @};
8267
8268 ex mystring::eval() const
8269 @{
8270     string new_str;
8271     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8272         char c = str[i];
8273         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8274             new_str += tolower(c);
8275         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8276             new_str += c;
8277     @}
8278
8279     if (new_str.length() == 0)
8280         return 0;
8281
8282     return mystring(new_str).hold();
8283 @}
8284 @end example
8285
8286 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8287 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8288 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8289
8290 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8291 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8292 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8293 with this.
8294
8295 Let's confirm that it works:
8296
8297 @example
8298 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8299 cout << e << endl;
8300  // -> "helloworld"
8301
8302 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8303 cout << e << endl;
8304  // -> 3*"wow"
8305 @end example
8306
8307 @subsection Optional member functions
8308
8309 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8310 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8311 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8312
8313 @cindex @code{calchash()}
8314 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8315 @example
8316 unsigned calchash() const override;
8317 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8318 @end example
8319
8320 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8321 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8322 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8323 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8324 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8325 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8326
8327 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8328 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8329 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8330 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8331
8332 @subsection Other member functions
8333
8334 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8335 might want to provide:
8336
8337 @example
8338 bool info(unsigned inf) const override;
8339 ex evalf() const override;
8340 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8341 ex derivative(const symbol & s) const override;
8342 @end example
8343
8344 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8345 previous section) you will probably want to override
8346
8347 @cindex @code{let_op()}
8348 @example
8349 size_t nops() const override;
8350 ex op(size_t i) const override;
8351 ex & let_op(size_t i) override;
8352 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8353 ex map(map_function & f) const override;
8354 @end example
8355
8356 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8357 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8358 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8359
8360 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8361 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8362 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8363 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8364 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8365 should become a need.
8366
8367 That's it. May the source be with you!
8368
8369 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8370
8371 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8372 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8373 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8374
8375 @example
8376 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8377 @end example
8378
8379 needs to be rewritten as
8380
8381 @example
8382 myclass::myclass() @{@}
8383 @end example
8384
8385 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8386 @c    node-name, next, previous, up
8387 @chapter A Comparison With Other CAS
8388 @cindex advocacy
8389
8390 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8391 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8392 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8393 disadvantages over these systems.
8394
8395 @menu
8396 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8397 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8398 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8399 @end menu
8400
8401 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8402 @c    node-name, next, previous, up
8403 @section Advantages
8404
8405 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8406 Algebra Systems, like 
8407
8408 @itemize @bullet
8409
8410 @item
8411 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8412 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8413 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8414 in common C++, which is standardized.
8415
8416 @cindex STL
8417 @item
8418 structured data types: you can build up structured data types using
8419 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8420 using unnamed lists of lists of lists.
8421
8422 @item
8423 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8424 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8425 nice for novice programmers, but dangerous.
8426     
8427 @item
8428 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8429 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8430 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8431
8432 @item
8433 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8434 separating interface and implementation.
8435
8436 @item
8437 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8438 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8439 C++-compilers for free, too.
8440     
8441 @item
8442 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8443 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8444 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8445 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8446 fix bugs in a traditional system.
8447
8448 @item
8449 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8450 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8451 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8452 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8453 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8454 all, of GiNaC's types to a command line.
8455
8456 @item
8457 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8458 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8459 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8460 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8461 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8462 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8463 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8464 system (i.e. @emph{Yacas}).
8465
8466 @item
8467 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8468 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8469 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8470 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8471 speed with other CAS.
8472
8473 @end itemize
8474
8475
8476 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8477 @c    node-name, next, previous, up
8478 @section Disadvantages
8479
8480 Of course it also has some disadvantages:
8481
8482 @itemize @bullet
8483
8484 @item
8485 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8486 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8487 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8488 respect to mathematical features.  Integration, 
8489 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8490 not planned for the near future).
8491
8492 @item
8493 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8494 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8495 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8496 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8497 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8498 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8499 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8500 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8501 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8502 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8503 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8504 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8505 literally.
8506     
8507 @end itemize
8508
8509
8510 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8511 @c    node-name, next, previous, up
8512 @section Why C++?
8513
8514 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8515 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8516 possible), separation between interface and implementation is not
8517 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8518 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8519 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8520 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8521 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8522 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8523 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8524 any other programming language.
8525
8526
8527 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8528 @c    node-name, next, previous, up
8529 @appendix Internal structures
8530
8531 @menu
8532 * Expressions are reference counted::
8533 * Internal representation of products and sums::
8534 @end menu
8535
8536 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8537 @c    node-name, next, previous, up
8538 @appendixsection Expressions are reference counted
8539
8540 @cindex reference counting
8541 @cindex copy-on-write
8542 @cindex garbage collection
8543 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8544 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8545 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8546 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8547 skip the rest of this passage.
8548
8549 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8550 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8551 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8552 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8553 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8554 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8555 of code:
8556
8557 @example
8558 #include <iostream>
8559 #include <ginac/ginac.h>
8560 using namespace std;
8561 using namespace GiNaC;
8562
8563 int main()
8564 @{
8565     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8566     ex e1, e2;
8567
8568     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8569     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8570     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8571     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8572     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8573 @}
8574 @end example
8575
8576 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8577 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8578 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8579 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8580 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8581 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8582 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8583 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8584 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8585 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8586 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8587 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8588 can be:
8589
8590 @example
8591 @{
8592     symbol x("x"), y("y");
8593
8594     ex e1 = x + 3*y;
8595     ex e2 = pow(e1, 3);
8596     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8597     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8598          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8599          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8600 @}
8601 @end example
8602
8603 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8604 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8605 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8606 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8607 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8608 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8609 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8610 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8611 @code{3*e1^2}.
8612
8613 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8614 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8615 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8616 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8617 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8618 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8619 semantics, we recommend you have a look at the
8620 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8621 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8622 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8623
8624
8625 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8626 @c    node-name, next, previous, up
8627 @appendixsection Internal representation of products and sums
8628
8629 @cindex representation
8630 @cindex @code{add}
8631 @cindex @code{mul}
8632 @cindex @code{power}
8633 Although it should be completely transparent for the user of
8634 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8635 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8636 unexpanded symbolic expression 
8637 @tex
8638 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8639 @end tex
8640 @ifnottex
8641 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8642 @end ifnottex
8643 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8644 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8645 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8646 fashion:
8647
8648 @ifnotinfo
8649 @image{repnaive}
8650 @end ifnotinfo
8651 @ifinfo
8652 <PICTURE MISSING>
8653 @end ifinfo
8654
8655 @cindex pair-wise representation
8656 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8657 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8658 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8659 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8660 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8661 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8662 becomes much more flat:
8663
8664 @ifnotinfo
8665 @image{reppair}
8666 @end ifnotinfo
8667 @ifinfo
8668 <PICTURE MISSING>
8669 @end ifinfo
8670
8671 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8672 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8673 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8674 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8675 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8676 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8677 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8678 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8679 representation, however, since they are still carrying a trivial
8680 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8681 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8682 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8683 representation for
8684 @tex
8685 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8686 @end tex
8687 @ifnottex
8688 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8689 @end ifnottex
8690
8691 @ifnotinfo
8692 @image{repreal}
8693 @end ifnotinfo
8694 @ifinfo
8695 <PICTURE MISSING>
8696 @end ifinfo
8697
8698 @cindex radical
8699 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8700 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8701 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8702 same abstract class: the data representation is the same, only the
8703 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8704 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8705 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8706
8707
8708 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8709 @c    node-name, next, previous, up
8710 @appendix Package tools
8711
8712 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8713 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8714 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8715 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8716 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8717 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8718 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8719 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8720 @example
8721 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8722 @end example
8723
8724 This command line might expand to (for example):
8725 @example
8726 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8727 @end example
8728
8729 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8730 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8731
8732 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8733 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8734 checking for libraries
8735
8736 @example
8737 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8738                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8739                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8740 @end example
8741
8742 This macro:
8743
8744 @itemize @bullet
8745
8746 @item
8747 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8748 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8749 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8750
8751 @item
8752 Tests the installed libraries to make sure that their version
8753 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8754
8755 @item
8756 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8757 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8758 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8759 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8760 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8761
8762 @item
8763 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8764
8765 @end itemize
8766
8767 @menu
8768 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8769 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8770 @end menu
8771
8772
8773 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8774 @c    node-name, next, previous, up
8775 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8776
8777 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8778 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8779 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8780 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8781 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8782
8783 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8784 system.
8785
8786 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8787 the linkers where to find the library one should
8788
8789 @itemize @bullet
8790 @item
8791 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8792 @example
8793 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8794 # ldconfig
8795 @end example
8796
8797 @item
8798 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8799 @example
8800 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8801 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8802 @end example
8803
8804 @item
8805 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8806 for instance:
8807
8808 @example
8809 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8810 @end example
8811 @end itemize
8812
8813 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8814 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8815 @example
8816 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8817 @end example
8818
8819 Finally, run the @command{configure} script
8820 @example
8821 $ ./configure 
8822 @end example
8823
8824 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8825
8826 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8827 @c    node-name, next, previous, up
8828 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8829
8830 The following shows how to build a simple package using automake
8831 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8832
8833 @example
8834 #include <iostream>
8835 #include <ginac/ginac.h>
8836
8837 int main()
8838 @{
8839     GiNaC::symbol x("x");
8840     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8841     std::cout << "Derivative of " << a 
8842               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8843     return 0;
8844 @}
8845 @end example
8846
8847 You should first read the introductory portions of the automake
8848 Manual, if you are not already familiar with it.
8849
8850 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8851 configure script:
8852
8853 @example
8854 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8855 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8856 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8857 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8858
8859 AC_PROG_CXX
8860 AC_PROG_INSTALL
8861 AC_LANG([C++])
8862
8863 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8864
8865 AC_OUTPUT(Makefile)
8866 @end example
8867
8868 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8869 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8870 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8871 @example
8872 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8873
8874 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8875
8876 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8877 installed software in a non-standard prefix.
8878
8879 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8880 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8881 See the pkg-config man page for more details.
8882 @end example
8883
8884 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8885
8886 @example
8887 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8888 bin_PROGRAMS = simple
8889 simple_SOURCES = simple.cpp
8890 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8891 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8892 @end example
8893
8894 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8895 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8896 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8897 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8898 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8899 basis.
8900
8901 To try this example out, create a new directory and add the three
8902 files above to it.
8903
8904 Now execute the following command:
8905
8906 @example
8907 $ autoreconf -i
8908 @end example
8909
8910 You now have a package that can be built in the normal fashion
8911
8912 @example
8913 $ ./configure
8914 $ make
8915 $ make install
8916 @end example
8917
8918
8919 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8920 @c    node-name, next, previous, up
8921 @appendix Bibliography
8922
8923 @itemize @minus{}
8924
8925 @item
8926 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
8927
8928 @item
8929 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8930
8931 @item
8932 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8933
8934 @item
8935 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8936
8937 @item
8938 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8939 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8940
8941 @item
8942 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8943 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8944 Academic Press, London
8945
8946 @item
8947 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8948 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8949
8950 @item
8951 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8952 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8953
8954 @item
8955 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8956 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8957
8958 @item
8959 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8960
8961 @end itemize
8962
8963
8964 @node Concept index, , Bibliography, Top
8965 @c    node-name, next, previous, up
8966 @unnumbered Concept index
8967
8968 @printindex cp
8969
8970 @bye