]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Finalize 1.8.2 release.
[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) 1999-2022 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{https://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2022 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{https://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{} 1999-2021 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 -lginac -lcln
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, factorized, and normalized (i.e. converted to a ratio of
376 two coprime 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 > factor(%);
386 (4*x*y+x^2-y^2)^2*(x^2+3*y^2)
387 > collect(a+b,x);
388 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
389 > collect(a+b,y);
390 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
391 > normal(a/b);
392 3*y^2+x^2
393 @end example
394
395 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
396 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
397
398 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
399 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
400 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
401 order):
402
403 @cindex Zeta function
404 @example
405 > diff(tan(x),x);
406 tan(x)^2+1
407 > series(sin(x),x==0,4);
408 x-1/6*x^3+Order(x^4)
409 > series(1/tan(x),x==0,4);
410 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
411 > series(tgamma(x),x==0,3);
412 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
413 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
414 > evalf(%);
415 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
416 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
417 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
418 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
419 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
420 @end example
421
422 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
423 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
424
425 @cindex fsolve
426 @example
427 > Digits=50:
428 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
429 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
430 > f=exp(sin(x))-x:
431 > X=fsolve(f,x,-10,10);
432 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
433 > subs(f,x==X);
434 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
435 @end example
436
437 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
438 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
439 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
440 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
441 point values.
442
443 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
444 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
445 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
446 metric system is now easy:
447
448 @example
449 > in=.0254*m;
450 0.0254*m
451 > lb=.45359237*kg;
452 0.45359237*kg
453 > 200*lb/in^2;
454 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
455 @end example
456
457
458 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
459 @c    node-name, next, previous, up
460 @chapter Installation
461
462 @cindex CLN
463 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
464 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
465 installation.
466
467 @menu
468 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
469 * Configuration::                How to configure GiNaC.
470 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
471 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
472 @end menu
473
474
475 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
476 @c    node-name, next, previous, up
477 @section Prerequisites
478
479 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
480 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
481 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
482 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
483 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
484 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
485 required for the configuration, it can be downloaded from
486 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
487 Last but not least, the CLN library
488 is used extensively and needs to be installed on your system.
489 Please get it from @uref{https://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
490 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
491 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
492 continue.
493
494
495 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
496 @c    node-name, next, previous, up
497 @section Configuration
498 @cindex configuration
499 @cindex Autoconf
500
501 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
502 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
503 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
504 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
505 prompts, all customization must be done either via command line
506 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
507 the complete set of which can be listed by calling it with the
508 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
509 described in what follows:
510
511 @itemize @bullet
512
513 @item
514 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
515 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
516 when developing because it considerably speeds up compilation.
517
518 @item
519 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
520 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
521 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
522 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
523 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
524
525 @item
526 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
527 the library installed in some other directory than
528 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
529
530 @item
531 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
532 to have the header files installed in some other directory than
533 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
534 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
535 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
536 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
537 keep the header files separated from others.  This avoids some
538 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
539 to be considered A Good Thing (tm).
540
541 @item
542 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
543 want to have the documentation installed in some other directory than
544 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
545
546 @end itemize
547
548 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
549 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
550 override the default in your path.  (The @command{configure} script
551 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
552 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
553 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
554 environment variable, like optimization, debugging information and
555 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
556 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
557 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
558 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
559 must generate @command{configure} along with the various
560 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
561 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
562
563 The whole process is illustrated in the following two
564 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
565 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
566 your login shell.)
567
568 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
569 everything is in default paths:
570
571 @example
572 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
573 $ ./configure
574 @end example
575
576 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
577 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
578 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
579 debugging information are switched on:
580
581 @example
582 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
583 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
584 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
585 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
586 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
587 @end example
588
589
590 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
591 @c    node-name, next, previous, up
592 @section Building GiNaC
593 @cindex building GiNaC
594
595 After proper configuration you should just build the whole
596 library by typing
597 @example
598 $ make
599 @end example
600 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
601 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
602 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
603 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
604
605 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
606 regression tests by typing
607
608 @example
609 $ make check
610 @end example
611
612 This will compile some sample programs, run them and check the output
613 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
614 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
615 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
616 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
617 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
618 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
619 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
620 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
621 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
622 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
623 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
624 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
625 to fiddle around with optimization.
626
627 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
628 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
629 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
630
631 @example
632 $ make html
633 $ make dvi
634 $ make ps
635 $ make pdf
636 @end example
637
638 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
639 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
640 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
641 @var{target} there in case something went wrong.
642
643
644 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
645 @c    node-name, next, previous, up
646 @section Installing GiNaC
647 @cindex installation
648
649 To install GiNaC on your system, simply type
650
651 @example
652 $ make install
653 @end example
654
655 As described in the section about configuration the files will be
656 installed in the following directories (the directories will be created
657 if they don't already exist):
658
659 @itemize @bullet
660
661 @item
662 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
663 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
664 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
665 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
666 will be established as well.
667
668 @item
669 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
670 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
671
672 @item
673 All documentation (info) will be stuffed into
674 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
675 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
676
677 @end itemize
678
679 For the sake of completeness we will list some other useful make
680 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
681 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
682 distclean} removes all files generated by the configuration and
683 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
684 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
685 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
686 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
687 work after you have called @command{make distclean} since the
688 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
689 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
690 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
691 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
692 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
693 do it by hand since you now know where all the files went during
694 installation.}.
695
696
697 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
698 @c    node-name, next, previous, up
699 @chapter Basic concepts
700
701 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
702 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
703 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
704 meta-class for storing all mathematical objects.
705
706 @menu
707 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
708 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
709 * Error handling::               How the library reports errors.
710 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
711 * Symbols::                      Symbolic objects.
712 * Numbers::                      Numerical objects.
713 * Constants::                    Pre-defined constants.
714 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
715 * Lists::                        Lists of expressions.
716 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
717 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
718 * Integrals::                    Symbolic integrals.
719 * Matrices::                     Matrices.
720 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
721 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
722 @end menu
723
724
725 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
726 @c    node-name, next, previous, up
727 @section Expressions
728 @cindex expression (class @code{ex})
729 @cindex @code{has()}
730
731 The most common class of objects a user deals with is the expression
732 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
733 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
734 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
735 little collection of valid expressions:
736
737 @example
738 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
739 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
740 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
741 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
742 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
743 @end example
744
745 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
746 contain other expressions thus creating a tree of expressions
747 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
748 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
749 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
750 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
751 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
752 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
753
754 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
755 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
756 @code{ex}.
757
758 @subsection Note: Expressions and STL containers
759
760 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
761 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
762 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
763 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
764
765 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
766 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
767 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
768 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
769 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
770
771 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
772 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
773
774 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
775 expressions.
776
777
778 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
779 @c    node-name, next, previous, up
780 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
781 @cindex evaluation
782
783 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
784 them and put them into a canonical form. Some examples:
785
786 @example
787 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
788 ex MyEx2 = x - x;        // 0
789 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
790 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
791 @end example
792
793 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
794 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
795
796 @itemize @bullet
797 @item
798 at most of complexity
799 @tex
800 $O(n\log n)$
801 @end tex
802 @ifnottex
803 @math{O(n log n)}
804 @end ifnottex
805 @item
806 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
807 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
808 @end itemize
809
810 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
811 behave in an entirely obvious way at first glance:
812
813 @itemize
814 @item
815 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
816 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
817 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
818 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
819 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
820 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
821 canonical form.
822 @item
823 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
824 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
825 example
826 @example
827 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
828 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
829 @end example
830 @end itemize
831
832 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
833 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
834 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
835 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
836 some immediate simplifications.
837
838 @cindex @code{eval()}
839 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
840
841 @example
842 ex ex::eval() const;
843 ex basic::eval() const;
844 @end example
845
846 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
847 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
848 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
849 re-evaluate their results.
850
851
852 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
853 @c    node-name, next, previous, up
854 @section Error handling
855 @cindex exceptions
856 @cindex @code{pole_error} (class)
857
858 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
859 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
860 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
861 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
862 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
863 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
864 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
865 at a singularity.
866
867 The @code{pole_error} class has a member function
868
869 @example
870 int pole_error::degree() const;
871 @end example
872
873 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
874 logarithmic or the order is undefined).
875
876 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
877 the main program even if you don't want to do any special error handling.
878 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
879 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
880 usually only aborts the program without giving any information what went
881 wrong.
882
883 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
884 exceptions generated by GiNaC:
885
886 @example
887 #include <iostream>
888 #include <stdexcept>
889 #include <ginac/ginac.h>
890 using namespace std;
891 using namespace GiNaC;
892
893 int main()
894 @{
895     try @{
896         ...
897         // code using GiNaC
898         ...
899     @} catch (exception &p) @{
900         cerr << p.what() << endl;
901         return 1;
902     @}
903     return 0;
904 @}
905 @end example
906
907
908 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
909 @c    node-name, next, previous, up
910 @section The class hierarchy
911
912 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
913 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
914 helpers) are internally derived from one abstract base class called
915 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
916 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
917 containers of expressions and so on.
918
919 @cindex container
920 @cindex atom
921 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
922 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
923 some of the relations among the classes:
924
925 @ifnotinfo
926 @image{classhierarchy}
927 @end ifnotinfo
928 @ifinfo
929 <PICTURE MISSING>
930 @end ifinfo
931
932 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
933 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
934 duplication if two or more classes derived from them share certain
935 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
936 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
937 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
938 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
939 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
940 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
941 are stored in the different classes:
942
943 @cartouche
944 @multitable @columnfractions .22 .78
945 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
946 @item @code{constant} @tab Constants like 
947 @tex
948 $\pi$
949 @end tex
950 @ifnottex
951 @math{Pi}
952 @end ifnottex
953 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
954 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
955 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
956 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
957 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
958 @tex
959 $\sqrt{2}$
960 @end tex
961 @ifnottex
962 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
963 @end ifnottex
964 @dots{}
965 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
966 @item @code{function} @tab A symbolic function like
967 @tex
968 $\sin 2x$
969 @end tex
970 @ifnottex
971 @math{sin(2*x)}
972 @end ifnottex
973 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
974 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
975 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
976 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
977 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
978 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
979 @item @code{varidx} @tab Index with variance
980 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
981 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
982 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
983 @end multitable
984 @end cartouche
985
986
987 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
988 @c    node-name, next, previous, up
989 @section Symbols
990 @cindex @code{symbol} (class)
991 @cindex hierarchy of classes
992
993 @cindex atom
994 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
995 manipulation what atoms are for chemistry.
996
997 A typical symbol definition looks like this:
998 @example
999 symbol x("x");
1000 @end example
1001
1002 This definition actually contains three very different things:
1003 @itemize
1004 @item a C++ variable named @code{x}
1005 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1006   represents the symbol in a GiNaC expression
1007 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1008   exclusively for printing expressions holding the symbol
1009 @end itemize
1010
1011 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1012 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1013 throws them away during compilation.
1014
1015 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1016 @example
1017 symbol x;
1018 @end example
1019
1020 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1021 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1022 the output of your calculations will become more readable if you give your
1023 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1024 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1025
1026 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1027 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1028 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1029 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1030 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1031 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1032 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1033 indeterminate.
1034
1035 Observe:
1036 @example
1037 ex f(int n)
1038 @{
1039     symbol x("x");
1040     return pow(x, n);
1041 @}
1042
1043 int main()
1044 @{
1045     symbol x("x");
1046     ex e = f(6);
1047
1048     cout << e << endl;
1049      // prints "x^6" which looks right, but...
1050
1051     cout << e.degree(x) << endl;
1052      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1053      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1054      // prints "0".
1055 @}
1056 @end example
1057
1058 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1059 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1060 @example
1061 ex f(int n, const ex & x)
1062 @{
1063     return pow(x, n);
1064 @}
1065
1066 int main()
1067 @{
1068     symbol x("x");
1069
1070     // Now, f() uses the same symbol.
1071     ex e = f(6, x);
1072
1073     cout << e.degree(x) << endl;
1074      // prints "6", as expected
1075 @}
1076 @end example
1077
1078 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1079 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1080 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1081 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1082 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1083 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1084 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1085 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1086 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1087 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1088 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1089
1090 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1091 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1092 like this one:
1093 @example
1094 const symbol & get_symbol(const string & s)
1095 @{
1096     static map<string, symbol> directory;
1097     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1098     if (i != directory.end())
1099         return i->second;
1100     else
1101         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1102 @}
1103 @end example
1104
1105 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1106 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1107 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1108 this:
1109 @example
1110 ex f(int n)
1111 @{
1112     return pow(get_symbol("x"), n);
1113 @}
1114
1115 int main()
1116 @{
1117     ex e = f(6);
1118
1119     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1120     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1121      // prints "6"
1122 @}
1123 @end example
1124
1125 Instead of creating symbols from strings we could also have
1126 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1127 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1128 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1129 @code{ostringstream}.
1130
1131 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1132 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1133 definitions.
1134
1135 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1136 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1137 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1138 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1139
1140 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1141 in LaTeX output:
1142 @example
1143 symbol x("x", "\\Box");
1144 @end example
1145
1146 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1147 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1148 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1149 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1150 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1151 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1152 @cindex @code{get_name()}
1153 @cindex @code{get_TeX_name()}
1154 @example
1155 symbol::get_name() const;
1156 symbol::get_TeX_name() const;
1157 @end example
1158
1159 @cindex @code{subs()}
1160 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1161 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1162 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1163 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1164 (@pxref{Substituting expressions}).
1165
1166 @cindex @code{realsymbol()}
1167 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1168 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1169 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1170 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1171 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1172 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1173 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1174 allows you to specify
1175 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1176 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1177
1178 @cindex @code{possymbol()}
1179 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1180 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1181 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1182
1183
1184 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1185 @c    node-name, next, previous, up
1186 @section Numbers
1187 @cindex @code{numeric} (class)
1188
1189 @cindex GMP
1190 @cindex CLN
1191 @cindex rational
1192 @cindex fraction
1193 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1194 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1195 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1196 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1197 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1198 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1199 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1200 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1201 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1202 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1203 several useful things: First, it introduces the complex number field
1204 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1205 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1206 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1207 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1208 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1209 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1210 calculation of some useful constants.
1211
1212 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1213 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1214 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1215 integers, construction from C-float and construction from a string:
1216
1217 @example
1218 #include <iostream>
1219 #include <ginac/ginac.h>
1220 using namespace GiNaC;
1221
1222 int main()
1223 @{
1224     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1225     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1226     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1227     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1228     // Trott's constant in scientific notation:
1229     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1230     
1231     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1232     ...
1233 @end example
1234
1235 @cindex @code{I}
1236 @cindex complex numbers
1237 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1238 name @code{I}:
1239
1240 @example
1241     ...
1242     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1243     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1244 @}
1245 @end example
1246
1247 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1248 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1249 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1250 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1251 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1252 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1253 also.
1254
1255 @cindex @code{Digits}
1256 @cindex accuracy
1257 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1258 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1259 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1260 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1261 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1262 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1263 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1264 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1265 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1266 digits:
1267
1268 @example
1269 #include <iostream>
1270 #include <ginac/ginac.h>
1271 using namespace std;
1272 using namespace GiNaC;
1273
1274 void foo()
1275 @{
1276     numeric three(3.0), one(1.0);
1277     numeric x = one/three;
1278
1279     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1280     cout << x << endl;
1281     cout << Pi.evalf() << endl;
1282 @}
1283
1284 int main()
1285 @{
1286     foo();
1287     Digits = 60;
1288     foo();
1289     return 0;
1290 @}
1291 @end example
1292
1293 The above example prints the following output to screen:
1294
1295 @example
1296 in 17 digits:
1297 0.33333333333333333334
1298 3.1415926535897932385
1299 in 60 digits:
1300 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1301 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1302 @end example
1303
1304 @cindex rounding
1305 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1306 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1307 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1308 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1309 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1310 architectures with different word size, the above output might even
1311 differ with regard to actually computed digits.
1312
1313 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1314 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1315 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1316
1317 @subsection Tests on numbers
1318
1319 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1320 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1321 kind of information from them like asking whether that number is
1322 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1323 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1324 certain CLN functions.)
1325
1326 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1327 some multiple of its denominator and test what comes out:
1328
1329 @example
1330 #include <iostream>
1331 #include <ginac/ginac.h>
1332 using namespace std;
1333 using namespace GiNaC;
1334
1335 // some very important constants:
1336 const numeric twentyone(21);
1337 const numeric ten(10);
1338 const numeric five(5);
1339
1340 int main()
1341 @{
1342     numeric answer = twentyone;
1343
1344     answer /= five;
1345     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1346     answer *= ten;
1347     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1348 @}
1349 @end example
1350
1351 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1352 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1353 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1354 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1355 the result is automatically converted to a pure integer again.
1356 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1357 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1358 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1359 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1360 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1361 can be applied is listed in the following table.
1362
1363 @cartouche
1364 @multitable @columnfractions .30 .70
1365 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1366 @item @code{.is_zero()}
1367 @tab @dots{}equal to zero
1368 @item @code{.is_positive()}
1369 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1370 @item @code{.is_negative()}
1371 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1372 @item @code{.is_integer()}
1373 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1374 @item @code{.is_pos_integer()}
1375 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1376 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1377 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1378 @item @code{.is_even()}
1379 @tab @dots{}an even integer
1380 @item @code{.is_odd()}
1381 @tab @dots{}an odd integer
1382 @item @code{.is_prime()}
1383 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1384 @item @code{.is_rational()}
1385 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1386 @item @code{.is_real()}
1387 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1388 @item @code{.is_cinteger()}
1389 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1390 @item @code{.is_crational()}
1391 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1392 @end multitable
1393 @end cartouche
1394
1395 @page
1396
1397 @subsection Numeric functions
1398
1399 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1400 evaluated immediately:
1401
1402 @cartouche
1403 @multitable @columnfractions .30 .70
1404 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1405 @item @code{inverse(z)}
1406 @tab returns @math{1/z}
1407 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1408 @item @code{pow(a, b)}
1409 @tab exponentiation @math{a^b}
1410 @item @code{abs(z)}
1411 @tab absolute value
1412 @item @code{real(z)}
1413 @tab real part
1414 @cindex @code{real()}
1415 @item @code{imag(z)}
1416 @tab imaginary part
1417 @cindex @code{imag()}
1418 @item @code{csgn(z)}
1419 @tab complex sign (returns an @code{int})
1420 @item @code{step(x)}
1421 @tab step function (returns an @code{numeric})
1422 @item @code{numer(z)}
1423 @tab numerator of rational or complex rational number
1424 @item @code{denom(z)}
1425 @tab denominator of rational or complex rational number
1426 @item @code{sqrt(z)}
1427 @tab square root
1428 @item @code{isqrt(n)}
1429 @tab integer square root
1430 @cindex @code{isqrt()}
1431 @item @code{sin(z)}
1432 @tab sine
1433 @item @code{cos(z)}
1434 @tab cosine
1435 @item @code{tan(z)}
1436 @tab tangent
1437 @item @code{asin(z)}
1438 @tab inverse sine
1439 @item @code{acos(z)}
1440 @tab inverse cosine
1441 @item @code{atan(z)}
1442 @tab inverse tangent
1443 @item @code{atan(y, x)}
1444 @tab inverse tangent with two arguments
1445 @item @code{sinh(z)}
1446 @tab hyperbolic sine
1447 @item @code{cosh(z)}
1448 @tab hyperbolic cosine
1449 @item @code{tanh(z)}
1450 @tab hyperbolic tangent
1451 @item @code{asinh(z)}
1452 @tab inverse hyperbolic sine
1453 @item @code{acosh(z)}
1454 @tab inverse hyperbolic cosine
1455 @item @code{atanh(z)}
1456 @tab inverse hyperbolic tangent
1457 @item @code{exp(z)}
1458 @tab exponential function
1459 @item @code{log(z)}
1460 @tab natural logarithm
1461 @item @code{Li2(z)}
1462 @tab dilogarithm
1463 @item @code{zeta(z)}
1464 @tab Riemann's zeta function
1465 @item @code{tgamma(z)}
1466 @tab gamma function
1467 @item @code{lgamma(z)}
1468 @tab logarithm of gamma function
1469 @item @code{psi(z)}
1470 @tab psi (digamma) function
1471 @item @code{psi(n, z)}
1472 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1473 @item @code{factorial(n)}
1474 @tab factorial function @math{n!}
1475 @item @code{doublefactorial(n)}
1476 @tab double factorial function @math{n!!}
1477 @cindex @code{doublefactorial()}
1478 @item @code{binomial(n, k)}
1479 @tab binomial coefficients
1480 @item @code{bernoulli(n)}
1481 @tab Bernoulli numbers
1482 @cindex @code{bernoulli()}
1483 @item @code{fibonacci(n)}
1484 @tab Fibonacci numbers
1485 @cindex @code{fibonacci()}
1486 @item @code{mod(a, b)}
1487 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1488 @cindex @code{mod()}
1489 @item @code{smod(a, b)}
1490 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1491 @cindex @code{smod()}
1492 @item @code{irem(a, b)}
1493 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1494 @cindex @code{irem()}
1495 @item @code{irem(a, b, q)}
1496 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1497 @item @code{iquo(a, b)}
1498 @tab integer quotient
1499 @cindex @code{iquo()}
1500 @item @code{iquo(a, b, r)}
1501 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1502 @item @code{gcd(a, b)}
1503 @tab greatest common divisor
1504 @item @code{lcm(a, b)}
1505 @tab least common multiple
1506 @end multitable
1507 @end cartouche
1508
1509 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1510 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1511 as polynomial algorithms.
1512
1513 @subsection Converting numbers
1514
1515 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1516 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1517 class provides a couple of methods for this purpose:
1518
1519 @cindex @code{to_int()}
1520 @cindex @code{to_long()}
1521 @cindex @code{to_double()}
1522 @cindex @code{to_cl_N()}
1523 @example
1524 int numeric::to_int() const;
1525 long numeric::to_long() const;
1526 double numeric::to_double() const;
1527 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1528 @end example
1529
1530 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1531 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1532 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1533 rational number will return a floating-point approximation. Both
1534 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1535 part of complex numbers.
1536
1537 Note the signature of the above methods, you may need to apply a type
1538 conversion and call @code{evalf()} as shown in the following example:
1539 @example
1540     ...
1541     ex e1 = 1, e2 = sin(Pi/5);
1542     cout << ex_to<numeric>(e1).to_int() << endl
1543          << ex_to<numeric>(e2.evalf()).to_double() << endl;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1548 @c    node-name, next, previous, up
1549 @section Constants
1550 @cindex @code{constant} (class)
1551
1552 @cindex @code{Pi}
1553 @cindex @code{Catalan}
1554 @cindex @code{Euler}
1555 @cindex @code{evalf()}
1556 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1557 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1558
1559 The predefined known constants are:
1560
1561 @cartouche
1562 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1563 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1564 @item @code{Pi}
1565 @tab Archimedes' constant
1566 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1567 @item @code{Catalan}
1568 @tab Catalan's constant
1569 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1570 @item @code{Euler}
1571 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1572 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1573 @end multitable
1574 @end cartouche
1575
1576
1577 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1578 @c    node-name, next, previous, up
1579 @section Sums, products and powers
1580 @cindex polynomial
1581 @cindex @code{add}
1582 @cindex @code{mul}
1583 @cindex @code{power}
1584
1585 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1586 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1587 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1588 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1589 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1590 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1591 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1592 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1593
1594 @example
1595     ...
1596     symbol a("a"), b("b");
1597     ex MyTerm = 1+a*b;
1598     ...
1599 @end example
1600
1601 @cindex @code{pow()}
1602 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1603 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1604 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1605 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1606 have several counterintuitive and undesired effects:
1607
1608 @itemize @bullet
1609 @item
1610 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1611 @item
1612 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1613 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1614 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1615 @item
1616 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1617 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1618 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1619 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1620 has requested @code{2^3}.)
1621 @end itemize
1622
1623 @cindex @command{ginsh}
1624 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1625 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1626 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1627 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1628 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1629 not exist at all in C++).
1630
1631 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1632 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1633 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1634 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1635 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1636 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1637 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1638 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1639 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1640 @code{x} negative.
1641
1642 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1643 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1644 and safe simplifications are carried out like transforming
1645 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1646
1647
1648 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1649 @c    node-name, next, previous, up
1650 @section Lists of expressions
1651 @cindex @code{lst} (class)
1652 @cindex lists
1653 @cindex @code{nops()}
1654 @cindex @code{op()}
1655 @cindex @code{append()}
1656 @cindex @code{prepend()}
1657 @cindex @code{remove_first()}
1658 @cindex @code{remove_last()}
1659 @cindex @code{remove_all()}
1660
1661 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1662 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1663 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1664 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1665 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1666
1667 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1668
1669 @example
1670 @{
1671     symbol x("x"), y("y");
1672     lst l = @{x, 2, y, x+y@};
1673     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1674     // in that order
1675     ...
1676 @end example
1677
1678 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1679 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1680 individual elements:
1681
1682 @example
1683     ...
1684     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1685     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1686     ...
1687 @end example
1688
1689 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1690 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1691 sequential access to the elements of a list is possible with the
1692 iterator types provided by the @code{lst} class:
1693
1694 @example
1695 typedef ... lst::const_iterator;
1696 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1697 lst::const_iterator lst::begin() const;
1698 lst::const_iterator lst::end() const;
1699 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1700 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1701 @end example
1702
1703 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1704
1705 @example
1706     ...
1707     // O(N)
1708     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1709         cout << *i << endl;
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 which is one order faster than
1714
1715 @example
1716     ...
1717     // O(N^2)
1718     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1719         cout << l.op(i) << endl;
1720     ...
1721 @end example
1722
1723 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1724 the C++ standard library:
1725
1726 @example
1727     ...
1728     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1729     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1730
1731     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1732     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1733     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1738 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1743     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1748 and @code{prepend()} methods:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1754     ...
1755 @end example
1756
1757 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1758 and @code{remove_last()}:
1759
1760 @example
1761     ...
1762     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1763     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1764     ...
1765 @end example
1766
1767 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     l.remove_all();     // l is now empty
1772     ...
1773 @end example
1774
1775 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1776
1777 @example
1778     ...
1779     lst l1 = @{x, 2, y, x+y@};
1780     lst l2 = @{2, x+y, x, y@};
1781     l1.sort();
1782     l2.sort();
1783     // l1 and l2 are now equal
1784     ...
1785 @end example
1786
1787 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1788 elements with @code{unique()}:
1789
1790 @example
1791     ...
1792     lst l3 = @{x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x@};
1793     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1794 @}
1795 @end example
1796
1797
1798 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1799 @c    node-name, next, previous, up
1800 @section Mathematical functions
1801 @cindex @code{function} (class)
1802 @cindex trigonometric function
1803 @cindex hyperbolic function
1804
1805 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1806 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1807 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1808
1809 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1810 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1811 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1812 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1813 the next example, showing how a function returns itself twice and
1814 finally an expression that may be really useful:
1815
1816 @cindex Gamma function
1817 @cindex @code{subs()}
1818 @example
1819     ...
1820     symbol x("x"), y("y");    
1821     ex foo = x+y/2;
1822     cout << tgamma(foo) << endl;
1823      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1824     ex bar = foo.subs(y==1);
1825     cout << tgamma(bar) << endl;
1826      // -> tgamma(x+1/2)
1827     ex foobar = bar.subs(x==7);
1828     cout << tgamma(foobar) << endl;
1829      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1830     ...
1831 @end example
1832
1833 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1834 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1835 this.
1836
1837 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1838 functions, where the argument list is templated.  This means that
1839 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1840 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1841 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1842 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1843 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1844 point number of class @code{numeric} you should call
1845 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1846 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1847 wrapped inside an @code{ex}.
1848
1849
1850 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1851 @c    node-name, next, previous, up
1852 @section Relations
1853 @cindex @code{relational} (class)
1854
1855 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1856 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1857 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1858 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1859 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1860 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1861
1862 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1863 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1864 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1865 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1866 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1867 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1868 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1869 unknown variables.
1870
1871 But the most common usage of objects of this class
1872 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1873 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1874 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1875 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1876 @code{expand()} must be called explicitly.
1877
1878 Simplifications of
1879 relationals may be more efficient if preceded by a call to
1880 @example
1881 ex relational::canonical() const
1882 @end example
1883 which returns an equivalent relation with the zero
1884 right-hand side. For example:
1885 @example
1886 possymbol p("p");
1887 relational rel = (p >= (p*p-1)/p);
1888 if (ex_to<relational>(rel.canonical().normal()))
1889         cout << "correct inequality" << endl;
1890 @end example
1891 However, a user shall not expect that any inequality can be fully
1892 resolved by GiNaC.
1893
1894 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1895 @c    node-name, next, previous, up
1896 @section Integrals
1897 @cindex @code{integral} (class)
1898
1899 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1900 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1901 1, you would write this as
1902 @example
1903 integral(x, 0, 1, x*x)
1904 @end example
1905 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1906 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1907 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1908 can be evaluated symbolically by calling the
1909 @example
1910 .eval_integ()
1911 @end example
1912 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1913 @example
1914 .evalf()
1915 @end example
1916 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1917 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1918 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1919 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1920 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1921 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1922 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1923 integrals is determined by the static member variable
1924 @example
1925 ex integral::relative_integration_error
1926 @end example
1927 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1928 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1929 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1930 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1931 variable
1932 @example
1933 int integral::max_integration_level
1934 @end example
1935 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1936 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1937 evaluation, is also available as
1938 @example
1939 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1940                    const ex & error)
1941 @end example
1942 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1943 last parameter of the function is optional and defaults to the
1944 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1945 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1946 a lookup table is used.
1947
1948 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1949 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1950 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1951 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1952 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1953 with respect to the integration variable.
1954
1955 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1956 @c    node-name, next, previous, up
1957 @section Matrices
1958 @cindex @code{matrix} (class)
1959
1960 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1961 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1962 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1963 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1964
1965 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1966 elements. The constructor
1967
1968 @example
1969 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1970 @end example
1971
1972 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1973 set to zero.
1974
1975 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1976 initializer lists, all of the same size:
1977
1978 @example
1979 @{
1980     matrix m = @{@{1, -a@},
1981                 @{a,  1@}@};
1982 @}
1983 @end example
1984
1985 You can also specify the elements as a (flat) list with
1986
1987 @example
1988 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1989 @end example
1990
1991 The function
1992
1993 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1994 @example
1995 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1996 @end example
1997
1998 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1999
2000 There is also a set of functions for creating some special types of
2001 matrices:
2002
2003 @cindex @code{diag_matrix()}
2004 @cindex @code{unit_matrix()}
2005 @cindex @code{symbolic_matrix()}
2006 @example
2007 ex diag_matrix(const lst & l);
2008 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
2009 ex unit_matrix(unsigned x);
2010 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
2011 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
2012 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
2013                    const string & tex_base_name);
2014 @end example
2015
2016 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
2017 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
2018 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
2019 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
2020 and the position of each element in the matrix.
2021
2022 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
2023 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
2024 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
2025 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
2026 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
2027 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2028
2029 @cindex @code{sub_matrix()}
2030 @cindex @code{reduced_matrix()}
2031 @example
2032 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2033 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2034 @end example
2035
2036 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2037 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2038 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2039 that specify which row and column to remove:
2040
2041 @example
2042 @{
2043     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2044                 @{21, 22, 23@},
2045                 @{31, 32, 33@}@};
2046     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2047     // -> [[11,13],[31,33]]
2048     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2049     // -> [[22,23],[32,33]]
2050 @}
2051 @end example
2052
2053 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2054 operator:
2055
2056 @example
2057 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2058 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2059 @end example
2060
2061 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2062 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2063 @samp{[]} is not available.
2064
2065 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2066
2067 @example
2068 @{
2069     symbol a("a"), b("b");
2070
2071     matrix M = @{@{a, 0@},
2072                 @{0, b@}@};
2073     cout << M << endl;
2074      // -> [[a,0],[0,b]]
2075
2076     matrix M2(2, 2);
2077     M2(0, 0) = a;
2078     M2(1, 1) = b;
2079     cout << M2 << endl;
2080      // -> [[a,0],[0,b]]
2081
2082     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2083      // -> [[a,0],[0,b]]
2084
2085     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2086      // -> [[a,0],[0,b]]
2087
2088     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2089      // -> [[a,0],[0,b]]
2090
2091     cout << unit_matrix(3) << endl;
2092      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2093
2094     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2095      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2096 @}
2097 @end example
2098
2099 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2100 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2101 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2102 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2103 expression is zero or a zero matrix.
2104
2105 @cindex @code{transpose()}
2106 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2107 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2108
2109 @example
2110 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2111 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2112 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2113 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2114 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2115 matrix matrix::transpose() const;
2116 @end example
2117
2118 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2119 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2120 and @math{C}:
2121
2122 @example
2123 @{
2124     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2125                 @{ 3, 4@}@};
2126     matrix B = @{@{-1, 0@},
2127                 @{ 2, 1@}@};
2128     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2129                 @{ 2, 1@}@};
2130
2131     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2132     cout << result << endl;
2133      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2134     ...
2135 @}
2136 @end example
2137
2138 @cindex @code{evalm()}
2139 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2140 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2141 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2142 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2143 method
2144
2145 @example
2146 ex ex::evalm() const;
2147 @end example
2148
2149 to obtain the result:
2150
2151 @example
2152 @{
2153     ...
2154     ex e = A*B - 2*C;
2155     cout << e << endl;
2156      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2157     cout << e.evalm() << endl;
2158      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2159     ...
2160 @}
2161 @end example
2162
2163 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2164 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2165 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2166 dealing with non-commutative expressions.
2167
2168 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2169 to perform the arithmetic:
2170
2171 @example
2172 @{
2173     ...
2174     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2175     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2176     cout << e << endl;
2177      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2178     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2179      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2180 @}
2181 @end example
2182
2183 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2184 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2185 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2186 more information about using matrices with indices, and about indices in
2187 general.
2188
2189 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2190 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2191
2192 @cindex @code{determinant()}
2193 @cindex @code{trace()}
2194 @cindex @code{charpoly()}
2195 @cindex @code{rank()}
2196 @example
2197 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2198 ex matrix::trace() const;
2199 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2200 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2201 @end example
2202
2203 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2204 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2205 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2206 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2207 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2208 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2209 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2210 to give the result most quickly.
2211
2212 @cindex @code{solve()}
2213 Linear systems can be solved with:
2214
2215 @example
2216 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2217                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2218 @end example
2219
2220 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2221 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2222 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2223 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2224 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2225 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2226 overdetermined, an exception is thrown.
2227
2228 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2229 To invert a matrix, use the method:
2230
2231 @example
2232 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2233 @end example
2234
2235 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2236 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2237
2238 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2239 @c    node-name, next, previous, up
2240 @section Indexed objects
2241
2242 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2243 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2244 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2245 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2246
2247 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2248 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2249 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2250 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2251
2252 @cindex @code{idx} (class)
2253 @cindex @code{indexed} (class)
2254 @subsection Indexed quantities and their indices
2255
2256 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2257 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2258
2259 @itemize @bullet
2260
2261 @cindex contravariant
2262 @cindex covariant
2263 @cindex variance
2264 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2265 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2266 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2267 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2268 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2269 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2270
2271 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2272 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2273 one or more indices.
2274
2275 @end itemize
2276
2277 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2278 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2279 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2280 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2281 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2282 not visible in the output.
2283
2284 A simple example shall illustrate the concepts:
2285
2286 @example
2287 #include <iostream>
2288 #include <ginac/ginac.h>
2289 using namespace std;
2290 using namespace GiNaC;
2291
2292 int main()
2293 @{
2294     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2295     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2296
2297     symbol A("A");
2298     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2299      // -> A.i.j
2300     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2301      // -> A.i[3].j[3]
2302     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2303     ...
2304 @end example
2305
2306 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2307 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2308 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2309 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2310 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2311 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2312 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2313 @code{j}.
2314
2315 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2316 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2317 as shown above.
2318
2319 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2320 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2321 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2322 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2323 correct and will raise an exception:
2324
2325 @example
2326 symbol i("i"), j("j");
2327 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2328 @end example
2329
2330 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2331 be numeric, and index dimensions symbolic:
2332
2333 @example
2334     ...
2335     symbol B("B"), dim("dim");
2336     cout << 4 * indexed(A, i)
2337           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2338      // -> B.j.2.i+4*A.i
2339     ...
2340 @end example
2341
2342 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2343 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2344 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2345 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2346 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2347
2348 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2349 arbitrary expressions:
2350
2351 @example
2352     ...
2353     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2354      // -> (B+A).(1+2*i)
2355     ...
2356 @end example
2357
2358 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2359 get an error message from this but you will probably not be able to do
2360 anything useful with it.
2361
2362 @cindex @code{get_value()}
2363 @cindex @code{get_dim()}
2364 The methods
2365
2366 @example
2367 ex idx::get_value();
2368 ex idx::get_dim();
2369 @end example
2370
2371 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2372 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2373 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2374 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2375
2376 There are also the methods
2377
2378 @example
2379 bool idx::is_numeric();
2380 bool idx::is_symbolic();
2381 bool idx::is_dim_numeric();
2382 bool idx::is_dim_symbolic();
2383 @end example
2384
2385 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2386 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2387 about expressions}) returns information about the index value.
2388
2389 @cindex @code{varidx} (class)
2390 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2391
2392 @example
2393     ...
2394     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2395     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2396     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2397
2398     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2399      // -> A~mu~nu
2400     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2401      // -> A.mu~nu
2402     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2403      // -> A.mu~nu
2404     ...
2405 @end example
2406
2407 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2408 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2409 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2410 constructor. The two methods
2411
2412 @example
2413 bool varidx::is_covariant();
2414 bool varidx::is_contravariant();
2415 @end example
2416
2417 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2418 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2419 method
2420
2421 @example
2422 ex varidx::toggle_variance();
2423 @end example
2424
2425 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2426 variance. By using it you only have to define the index once.
2427
2428 @cindex @code{spinidx} (class)
2429 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2430 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2431
2432 @example
2433     ...
2434     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2435     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2436                                             // contravariant, undotted
2437     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2438     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2439     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2440
2441     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2442      // -> K~C~D
2443     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2444      // -> K.C~*D
2445     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2446      // -> K.*D~D
2447     ...
2448 @end example
2449
2450 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2451 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2452 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2453 methods
2454
2455 @example
2456 bool spinidx::is_dotted();
2457 bool spinidx::is_undotted();
2458 @end example
2459
2460 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2461 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2462 Finally, the two methods
2463
2464 @example
2465 ex spinidx::toggle_dot();
2466 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2467 @end example
2468
2469 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2470 and the same or opposite variance.
2471
2472 @subsection Substituting indices
2473
2474 @cindex @code{subs()}
2475 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2476 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2477 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2478 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2479
2480 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2481 by another index or expression:
2482
2483 @example
2484     ...
2485     ex e = indexed(A, mu_co);
2486     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2487      // -> A.mu becomes A~nu
2488     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2489      // -> A.mu becomes A~0
2490     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2491      // -> A.mu becomes A.0
2492     ...
2493 @end example
2494
2495 The third example shows that trying to replace an index with something that
2496 is not an index will substitute the index value instead.
2497
2498 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2499 another expression:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     ex e = indexed(A, mu_co);
2504     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2505      // -> A.mu becomes A.nu
2506     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2507      // -> A.mu becomes A.0
2508     ...
2509 @end example
2510
2511 As you see, with the second method only the value of the index will get
2512 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2513 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2514 whole index by another one with the new dimension.
2515
2516 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2517 expected:
2518
2519 @example
2520     ...
2521     ex e = indexed(A, mu_co);
2522     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2523      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2524     ...
2525 @end example
2526
2527 @subsection Symmetries
2528 @cindex @code{symmetry} (class)
2529 @cindex @code{sy_none()}
2530 @cindex @code{sy_symm()}
2531 @cindex @code{sy_anti()}
2532 @cindex @code{sy_cycl()}
2533
2534 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2535 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2536 that is constructed with the helper functions
2537
2538 @example
2539 symmetry sy_none(...);
2540 symmetry sy_symm(...);
2541 symmetry sy_anti(...);
2542 symmetry sy_cycl(...);
2543 @end example
2544
2545 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2546 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2547 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2548 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2549 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2550 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2551 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2552 all indices.
2553
2554 Here are some examples of symmetry definitions:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     // No symmetry:
2559     e = indexed(A, i, j);
2560     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2561     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2562
2563     // Symmetric in all three indices:
2564     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2565     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2566     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2567                                                // different canonical order
2568
2569     // Symmetric in the first two indices only:
2570     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2571     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2572
2573     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2574     // be contiguous):
2575     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2576     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2577
2578     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2579     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2580     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2581     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2582
2583     // Cyclic symmetry in all three indices:
2584     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2585     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2586
2587     // The following examples are invalid constructions that will throw
2588     // an exception at run time.
2589
2590     // An index may not appear multiple times:
2591     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2592     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2593
2594     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2595     // same number of indices:
2596     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2597
2598     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2599     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2600     ...
2601 @end example
2602
2603 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2604 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2605 full symmetry in the first six indices you would write
2606 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2607
2608 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2609 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2610
2611 @example
2612     ...
2613     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2614           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2615      // -> 2*A.j.i
2616     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2617           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2618      // -> 0
2619     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2620           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2621      // -> 0
2622     ...
2623 @end example
2624
2625 @cindex @code{get_free_indices()}
2626 @cindex dummy index
2627 @subsection Dummy indices
2628
2629 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2630 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2631 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2632 dummy nor free indices.
2633
2634 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2635 class and their value must be the same single symbol (an index like
2636 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2637 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2638 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2639
2640 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2641 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2642 of a sum are consistent:
2643
2644 @example
2645 @{
2646     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2647
2648     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2649     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2650
2651     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2652     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2653      // -> (.i,.k)
2654      // 'j' and 'l' are dummy indices
2655
2656     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2657     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2658
2659     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2660       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2661     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2662      // -> (~mu,~rho)
2663      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2664
2665     e = indexed(A, mu, mu);
2666     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2667      // -> (~mu)
2668      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2669      // variance
2670
2671     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2672     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2673      // this will throw an exception:
2674      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2675 @}
2676 @end example
2677
2678 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2679 A dummy index summation like 
2680 @tex
2681 $ a_i b^i$
2682 @end tex
2683 @ifnottex
2684 a.i b~i
2685 @end ifnottex
2686 can be expanded for indices with numeric
2687 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2688 @tex
2689 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2690 @end tex
2691 @ifnottex
2692 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2693 @end ifnottex
2694 This is performed by the function
2695
2696 @example
2697     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2698 @end example
2699
2700 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2701 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2702 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2703 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2704 @tex
2705 $ a_i b^i$
2706 @end tex
2707 @ifnottex
2708 a.i b~i
2709 @end ifnottex
2710 will be expanded to
2711 @tex
2712 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2713 @end tex
2714 @ifnottex
2715 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2716 @end ifnottex
2717
2718
2719 @cindex @code{simplify_indexed()}
2720 @subsection Simplifying indexed expressions
2721
2722 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2723 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2724 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2725 there is the method
2726
2727 @example
2728 ex ex::simplify_indexed();
2729 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2730 @end example
2731
2732 that performs some more expensive operations:
2733
2734 @itemize @bullet
2735 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2736   @code{get_free_indices()} does
2737 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2738   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2739 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2740   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2741   next section)
2742 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2743   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2744 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2745   of two tensors with a user-defined value
2746 @end itemize
2747
2748 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2749 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2750 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2751
2752 @example
2753 @{
2754     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2755     idx i(i_sym, 3);
2756
2757     scalar_products sp;
2758     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2759     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2760     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2761
2762     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2763     cout << e << endl;
2764      // -> (B+A).i*(A+C).i
2765
2766     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2767          << endl;
2768      // -> 4+C.i*B.i
2769 @}
2770 @end example
2771
2772 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2773 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2774 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2775 taken, and the expression to replace it with.
2776
2777 @cindex @code{expand()}
2778 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2779 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2780 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2781
2782 @cindex @code{tensor} (class)
2783 @subsection Predefined tensors
2784
2785 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2786 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2787 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2788 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2789 indices are specified).
2790
2791 @cindex @code{delta_tensor()}
2792 @subsubsection Delta tensor
2793
2794 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2795 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2796 @code{delta_tensor()}:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol A("A"), B("B");
2801
2802     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2803         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2804
2805     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2806          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2807     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2808      // -> B.i.j*A.i.j
2809
2810     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2811      // -> 3
2812 @}
2813 @end example
2814
2815 @cindex @code{metric_tensor()}
2816 @subsubsection General metric tensor
2817
2818 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2819 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2820 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2821 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2822
2823 @example
2824 @{
2825     symbol A("A");
2826
2827     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2828
2829     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2830     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2831      // -> A~mu~rho
2832
2833     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2834     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2835      // -> g~mu~rho
2836
2837     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2838       * metric_tensor(nu, rho);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> delta.mu~rho
2841
2842     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2843       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2844         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> 4+A.rho~rho
2847 @}
2848 @end example
2849
2850 @cindex @code{lorentz_g()}
2851 @subsubsection Minkowski metric tensor
2852
2853 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2854 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2855 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2856 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2857 @samp{eta}):
2858
2859 @example
2860 @{
2861     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2862
2863     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2864       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> 1
2867
2868     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2869       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2870     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2871      // -> -1
2872 @}
2873 @end example
2874
2875 @cindex @code{spinor_metric()}
2876 @subsubsection Spinor metric tensor
2877
2878 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2879 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2880 It is output as @samp{eps}:
2881
2882 @example
2883 @{
2884     symbol psi("psi");
2885
2886     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2887     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2888
2889     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2890     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2891      // -> psi~A
2892
2893     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2894     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2895      // -> -psi~B
2896
2897     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2898     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2899      // -> -psi.A
2900
2901     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2902     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2903      // -> psi.B
2904
2905     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2906     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2907      // -> 2
2908
2909     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2910     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2911      // -> -delta.A~C
2912 @}
2913 @end example
2914
2915 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2916
2917 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2918 @cindex @code{lorentz_eps()}
2919 @subsubsection Epsilon tensor
2920
2921 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2922 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2923 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2924 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2925 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2926 @samp{eps}.
2927
2928 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2929 dimensions:
2930
2931 @example
2932 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2933 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2934 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2935                bool pos_sig = false);
2936 @end example
2937
2938 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2939 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2940 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2941 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2942 tensor):
2943
2944 @example
2945 @{
2946     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2947            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2948     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2949         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2950     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2951      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2952
2953     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2954     symbol A("A"), B("B");
2955     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2956     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2957      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2958     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2959     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2960      // -> 0
2961 @}
2962 @end example
2963
2964 @subsection Linear algebra
2965
2966 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2967 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2968 and scalar products):
2969
2970 @example
2971 @{
2972     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2973     symbol x("x"), y("y");
2974
2975     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2976     matrix A = @{@{1, 2@},
2977                 @{3, 4@}@};
2978     matrix X = @{@{x, y@}@};
2979
2980     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2981      // -> 5
2982
2983     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2984     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2985      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2986
2987     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2988     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2989      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2990 @}
2991 @end example
2992
2993 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2994 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2995 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2996
2997 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2998 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2999 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
3000 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
3001
3002 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
3003 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
3004 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
3005 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
3006 of the metric tensor.
3007
3008
3009 @node Non-commutative objects, Methods and functions, Indexed objects, Basic concepts
3010 @c    node-name, next, previous, up
3011 @section Non-commutative objects
3012
3013 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
3014 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
3015 physics:
3016
3017 @itemize
3018 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
3019 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
3020 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
3021 @end itemize
3022
3023 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
3024 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
3025 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
3026 @ref{Matrices}.
3027
3028 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3029 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3030 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3031 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3032 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3033 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3034 by their class. Consider this example:
3035
3036 @example
3037     ...
3038     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3039     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3040     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3041     cout << e << endl;
3042      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3043     ...
3044 @end example
3045
3046 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3047 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3048 together while preserving the order of factors within each class (because
3049 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3050 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3051 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3052 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3053
3054 @cindex @code{ncmul} (class)
3055 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3056 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3057 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3058 though.
3059
3060 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3061 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3062 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3063 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3064 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3065 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3066 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3067 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3068 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3069 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3070
3071 @cindex @code{return_type()}
3072 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3073 Information about the commutativity of an object or expression can be
3074 obtained with the two member functions
3075
3076 @example
3077 unsigned      ex::return_type() const;
3078 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3079 @end example
3080
3081 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3082 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3083 expressions in GiNaC:
3084
3085 @itemize @bullet
3086 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3087   classes are of this kind.
3088 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3089   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3090   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3091   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3092   class.
3093 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3094   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3095   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3096   @code{noncommutative_composite} expressions.
3097 @end itemize
3098
3099 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3100 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3101 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3102 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3103 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3104 therefore may not commute.
3105
3106 Here are a couple of examples:
3107
3108 @cartouche
3109 @multitable @columnfractions .6 .4
3110 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3111 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3112 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3113 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3114 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3115 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3116 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3117 @end multitable
3118 @end cartouche
3119
3120 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3121 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3122 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3123 non-commutative expressions).
3124
3125
3126 @cindex @code{clifford} (class)
3127 @subsection Clifford algebra
3128
3129
3130 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3131 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3132 mathematical). 
3133
3134 @cindex @code{dirac_gamma()}
3135 @subsubsection Dirac gamma matrices
3136 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3137 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3138 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3139 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3140 constructed by the function
3141
3142 @example
3143 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3144 @end example
3145
3146 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3147 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3148 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3149 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3150 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3151 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3152
3153 @cindex @code{dirac_ONE()}
3154 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3155
3156 @example
3157 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3158 @end example
3159
3160 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3161 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3162 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3163 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3164 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3165
3166 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3167 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3168 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3169 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3170
3171 @example
3172 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3173 @end example
3174
3175 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3176 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3177 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3178 objects, constructed by
3179
3180 @example
3181 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3182 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3183 @end example
3184
3185 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3186 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3187
3188 @cindex @code{dirac_slash()}
3189 Finally, the function
3190
3191 @example
3192 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3193 @end example
3194
3195 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3196 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3197 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3198 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3199
3200 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3201 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3202 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3203
3204 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3205 for example
3206
3207 @example
3208 @{
3209     ...
3210     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3211     varidx mu(symbol("mu"), D);
3212     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3213          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3214     cout << e << endl;
3215      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3216     e = e.simplify_indexed();
3217     cout << e << endl;
3218      // -> -D*a\+2*a\
3219     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3220      // -> -2*a\
3221     ...
3222 @}
3223 @end example
3224
3225 @cindex @code{dirac_trace()}
3226 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3227 you use one of the functions
3228
3229 @example
3230 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3231                const ex & trONE = 4);
3232 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3233 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3234 @end example
3235
3236 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3237 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3238 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3239 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3240 element, which defaults to 4.
3241
3242 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3243 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3244 functional is not cyclic in
3245 @tex $D \ne 4$
3246 @end tex
3247 @ifnottex
3248 @math{D != 4}
3249 @end ifnottex
3250 dimensions when acting on
3251 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3252 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3253 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3254
3255 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3256 @tex $D \ne 4$
3257 @end tex
3258 @ifnottex
3259 @math{D != 4}
3260 @end ifnottex
3261 dimensions:
3262
3263 @example
3264 @{
3265     // 4 dimensions
3266     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3267     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3268            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3269     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3270      // -> -8*eta~rho~nu
3271 @}
3272 ...
3273 @{
3274     // D dimensions
3275     symbol D("D");
3276     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3277     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3278            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3279     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3280      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3281 @}
3282 @end example
3283
3284 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3285 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3286 QED:
3287
3288 @example
3289 @{
3290     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3291     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3292
3293     scalar_products sp;
3294     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3295     sp.add(l, q, ldotq);
3296
3297     ex e = dirac_gamma(mu) *
3298            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3299            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3300            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3301     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3302     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3303     cout << e << endl;
3304      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3305 @}
3306 @end example
3307
3308 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3309 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3310 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3311
3312 @example
3313 @{
3314     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3315     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3316     cout << e << endl;
3317      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3318
3319     e = canonicalize_clifford(e);
3320     cout << e << endl;
3321      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3322 @}
3323 @end example
3324
3325 @cindex @code{clifford_unit()}
3326 @subsubsection A generic Clifford algebra
3327
3328 A generic Clifford algebra, i.e. a
3329 @tex $2^n$
3330 @end tex
3331 @ifnottex
3332 2^n
3333 @end ifnottex
3334 dimensional algebra with
3335 generators 
3336 @tex $e_k$
3337 @end tex 
3338 @ifnottex
3339 e_k
3340 @end ifnottex
3341 satisfying the identities 
3342 @tex
3343 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3344 @end tex
3345 @ifnottex
3346 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3347 @end ifnottex
3348 for some bilinear form (@code{metric})
3349 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3350 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3351 function 
3352
3353 @example
3354     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3355 @end example
3356
3357 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3358 indexing the generators.
3359 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3360 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3361 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3362 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3363 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3364 @code{op(0)} will be used.
3365 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3366 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3367
3368 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3369 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3370 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3371 @cindex @code{get_metric()}
3372 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3373 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3374 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3375 specifies as follows:
3376
3377 @example
3378     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3379 @end example
3380
3381 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3382 Clifford number.
3383
3384 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3385 the Clifford algebra units with a call like that
3386
3387 @example
3388     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3389 @end example
3390
3391 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3392 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3393 automatically. 
3394
3395 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3396 ways. For example 
3397
3398 @example
3399 @{
3400     ... 
3401     idx i(symbol("i"), 4);
3402     realsymbol s("s");
3403     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3404     ex e = clifford_unit(i, M);
3405     ex e0 = e.subs(i == 0);
3406     ex e1 = e.subs(i == 1);
3407     ex e2 = e.subs(i == 2);
3408     ex e3 = e.subs(i == 3);
3409     ...
3410 @}
3411 @end example
3412
3413 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3414 @tex
3415 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3416 @end tex
3417 @ifnottex
3418 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3419 @code{pow(e3, 2) = s}.
3420 @end ifnottex
3421
3422 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3423 A similar effect can be achieved from the function
3424
3425 @example
3426     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3427                        unsigned char rl = 0);
3428     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3429 @end example
3430
3431 which converts a list or vector 
3432 @tex
3433 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3434 @end tex
3435 @ifnottex
3436 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3437 @end ifnottex
3438 into the
3439 Clifford number 
3440 @tex
3441 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3442 @end tex
3443 @ifnottex
3444 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3445 @end ifnottex
3446 with @samp{e.k}
3447 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3448 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3449 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3450 @cindex pseudo-vector
3451 If the number of components supplied
3452 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3453 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3454 pseudo-vector representation: 
3455 @tex
3456 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3457 @end tex
3458 @ifnottex
3459 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3460 @end ifnottex
3461
3462 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3463
3464 @example
3465 @{
3466     ...
3467     idx i(symbol("i"), 4);
3468     realsymbol s("s");
3469     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3470     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3471     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3472     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3473     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3474   ...
3475 @}
3476 @end example
3477
3478 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3479 There is the inverse function 
3480
3481 @example
3482     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3483 @end example
3484
3485 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3486 @tex
3487 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3488 @end tex
3489 @ifnottex
3490 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3491 @end ifnottex
3492 such that the expression is either vector 
3493 @tex
3494 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3495 @end tex
3496 @ifnottex
3497 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3498 @end ifnottex
3499 or pseudo-vector 
3500 @tex
3501 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3502 @end tex
3503 @ifnottex
3504 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3505 @end ifnottex
3506 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3507 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3508 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3509 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3510 @samp{v~k} are calculated as 
3511 @tex
3512 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3513 @end tex
3514 @ifnottex
3515 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3516 @end ifnottex
3517 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3518 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3519 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3520
3521 @cindex @code{clifford_prime()}
3522 @cindex @code{clifford_star()}
3523 @cindex @code{clifford_bar()}
3524 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3525
3526 @example
3527     ex clifford_prime(const ex & e)
3528     inline ex clifford_star(const ex & e)
3529     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3530 @end example
3531
3532 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3533 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3534 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3535 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3536 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3537 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3538 in a product. These functions correspond to the notations
3539 @math{e'},
3540 @tex
3541 $e^*$
3542 @end tex
3543 @ifnottex
3544 e*
3545 @end ifnottex
3546 and
3547 @tex
3548 $\overline{e}$
3549 @end tex
3550 @ifnottex
3551 @code{\bar@{e@}}
3552 @end ifnottex
3553 used in Clifford algebra textbooks.
3554
3555 @cindex @code{clifford_norm()}
3556 The function
3557
3558 @example
3559     ex clifford_norm(const ex & e);
3560 @end example
3561
3562 @cindex @code{clifford_inverse()}
3563 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3564 @tex
3565 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3566 @end tex
3567 @ifnottex
3568 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3569 @end ifnottex
3570  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3571
3572 @example
3573     ex clifford_inverse(const ex & e);
3574 @end example
3575
3576 which calculates it as 
3577 @tex
3578 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3579 @end tex
3580 @ifnottex
3581 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3582 @end ifnottex
3583  If
3584 @tex
3585 $||e|| = 0$
3586 @end tex
3587 @ifnottex
3588 @math{||e||=0}
3589 @end ifnottex
3590 then an exception is raised.
3591
3592 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3593 If a Clifford number happens to be a factor of
3594 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3595 expression by the function
3596
3597 @example
3598     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3599 @end example
3600
3601 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3602 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3603 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3604
3605 The next provided function is
3606
3607 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3608 @example
3609     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3610                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3611                             unsigned char rl = 0);
3612     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3613                             unsigned char rl = 0);
3614 @end example 
3615
3616 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3617 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3618 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3619 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3620 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3621 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3622 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3623 is either a vector or a list holding vector's components.
3624
3625 @cindex @code{clifford_max_label()}
3626 Finally the function
3627
3628 @example
3629 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3630 @end example
3631
3632 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3633 such objects are found it returns the maximal
3634 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3635 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3636 be ignored during the search.
3637  
3638 LaTeX output for Clifford units looks like
3639 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3640 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3641 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3642 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3643 @example
3644     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3645 @end example
3646 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3647 @example
3648     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3649 @end example
3650 prints units with @code{representation_label=0} as 
3651 @tex
3652 $e$,
3653 @end tex
3654 @ifnottex
3655 @code{e},
3656 @end ifnottex
3657 with @code{representation_label=1} as 
3658 @tex
3659 $\tilde{e}$
3660 @end tex
3661 @ifnottex
3662 @code{\tilde@{e@}}
3663 @end ifnottex
3664  and with @code{representation_label=2} as 
3665 @tex
3666 $\breve{e}$.
3667 @end tex
3668 @ifnottex
3669 @code{\breve@{e@}}.
3670 @end ifnottex
3671
3672 @cindex @code{color} (class)
3673 @subsection Color algebra
3674
3675 @cindex @code{color_T()}
3676 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3677 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3678 elements @math{T_a} are constructed by the function
3679
3680 @example
3681 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3682 @end example
3683
3684 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3685 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3686 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3687 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3688 not @code{varidx}.
3689
3690 @cindex @code{color_ONE()}
3691 The unity element of a color algebra is constructed by
3692
3693 @example
3694 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3695 @end example
3696
3697 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3698 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3699 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3700 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3701 GiNaC may produce incorrect results.
3702
3703 @cindex @code{color_d()}
3704 @cindex @code{color_f()}
3705 The functions
3706
3707 @example
3708 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3709 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3710 @end example
3711
3712 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3713 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3714 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3715
3716 These functions evaluate to their numerical values,
3717 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3718 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3719 goes along better with the notations used in physical literature.
3720
3721 @cindex @code{color_h()}
3722 There's an additional function
3723
3724 @example
3725 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3726 @end example
3727
3728 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3729
3730 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3731 expressions containing color objects:
3732
3733 @example
3734 @{
3735     ...
3736     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3737         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3738
3739     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3740     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3741      // -> 0
3742
3743     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3744     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3745      // -> 5/3*delta.k.l
3746
3747     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3748     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3749      // -> 3*delta.k.l
3750
3751     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3752     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3753      // -> -32/3
3754
3755     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3756     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3757      // -> -2/3*T.a
3758
3759     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3760     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3761      // -> -8/9*ONE
3762
3763     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3764     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3765      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3766     ...
3767 @end example
3768
3769 @cindex @code{color_trace()}
3770 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3771 of the functions
3772
3773 @example
3774 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3775 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3776 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3777 @end example
3778
3779 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3780 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3781 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3782 example:
3783
3784 @example
3785     ...
3786     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3787     cout << e << endl;
3788      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3789 @}
3790 @end example
3791
3792
3793 @node Methods and functions, Information about expressions, Non-commutative objects, Top
3794 @c    node-name, next, previous, up
3795 @chapter Methods and functions
3796 @cindex polynomial
3797
3798 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3799 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3800 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3801 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3802 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3803 example:
3804
3805 @example
3806     ...
3807     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3808     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3809     ...
3810 @end example
3811
3812 @cindex @code{subs()}
3813 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3814 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3815 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3816 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3817 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3818 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3819 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3820 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3821 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3822 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3823 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3824 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3825 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3826 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3827 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3828 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3829 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3830 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3831 avoided.
3832
3833 @menu
3834 * Information about expressions::
3835 * Numerical evaluation::
3836 * Substituting expressions::
3837 * Pattern matching and advanced substitutions::
3838 * Applying a function on subexpressions::
3839 * Visitors and tree traversal::
3840 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3841 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3842 * Symbolic differentiation::
3843 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3844 * Symmetrization::
3845 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3846 * Multiple polylogarithms::
3847 * Iterated integrals::
3848 * Complex expressions::
3849 * Solving linear systems of equations::
3850 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3851 @end menu
3852
3853
3854 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3855 @c    node-name, next, previous, up
3856 @section Getting information about expressions
3857
3858 @subsection Checking expression types
3859 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3860 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3861 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3862 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3863 @cindex @code{info()}
3864 @cindex @code{return_type()}
3865 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3866
3867 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3868 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3869 GiNaC provides a couple of functions for this:
3870
3871 @example
3872 bool is_a<T>(const ex & e);
3873 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3874 bool ex::info(unsigned flag);
3875 unsigned ex::return_type() const;
3876 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3877 @end example
3878
3879 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3880 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3881 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3882 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3883
3884 @example
3885 @{
3886     @dots{}
3887     if (is_a<numeric>(e))
3888         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3889     @dots{}
3890 @}
3891 @end example
3892
3893 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3894 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3895 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3896 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3897
3898 @example
3899 @{
3900     symbol x("x");
3901     ex e1 = 42;
3902     ex e2 = 4*x - 3;
3903     is_a<numeric>(e1);  // true
3904     is_a<numeric>(e2);  // false
3905     is_a<add>(e1);      // false
3906     is_a<add>(e2);      // true
3907     is_a<mul>(e1);      // false
3908     is_a<mul>(e2);      // false
3909 @}
3910 @end example
3911
3912 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3913 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3914 class @samp{T}, not including parent classes.
3915
3916 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3917 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3918 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3919 table:
3920
3921 @cartouche
3922 @multitable @columnfractions .30 .70
3923 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3924 @item @code{numeric}
3925 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3926 @item @code{real}
3927 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3928 @item @code{rational}
3929 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3930 @item @code{integer}
3931 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3932 @item @code{crational}
3933 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3934 @item @code{cinteger}
3935 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3936 @item @code{positive}
3937 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3938 @item @code{negative}
3939 @tab @dots{}not complex and less than 0
3940 @item @code{nonnegative}
3941 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3942 @item @code{posint}
3943 @tab @dots{}an integer greater than 0
3944 @item @code{negint}
3945 @tab @dots{}an integer less than 0
3946 @item @code{nonnegint}
3947 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3948 @item @code{even}
3949 @tab @dots{}an even integer
3950 @item @code{odd}
3951 @tab @dots{}an odd integer
3952 @item @code{prime}
3953 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3954 @item @code{relation}
3955 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3956 @item @code{relation_equal}
3957 @tab @dots{}a @code{==} relation
3958 @item @code{relation_not_equal}
3959 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3960 @item @code{relation_less}
3961 @tab @dots{}a @code{<} relation
3962 @item @code{relation_less_or_equal}
3963 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3964 @item @code{relation_greater}
3965 @tab @dots{}a @code{>} relation
3966 @item @code{relation_greater_or_equal}
3967 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3968 @item @code{symbol}
3969 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3970 @item @code{list}
3971 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3972 @item @code{polynomial}
3973 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3974 @item @code{integer_polynomial}
3975 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3976 @item @code{cinteger_polynomial}
3977 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3978 @item @code{rational_polynomial}
3979 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3980 @item @code{crational_polynomial}
3981 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3982 @item @code{rational_function}
3983 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3984 @end multitable
3985 @end cartouche
3986
3987 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3988 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3989 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3990 for an explanation of these.
3991
3992
3993 @subsection Accessing subexpressions
3994 @cindex container
3995
3996 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3997 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3998 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3999 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4000
4001 @cindex @code{nops()}
4002 @cindex @code{op()}
4003 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4004 use the two methods
4005
4006 @example
4007 size_t ex::nops();
4008 ex ex::op(size_t i);
4009 @end example
4010
4011 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4012 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4013 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4014 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4015 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4016 @math{i>0} are the indices.
4017
4018 @cindex iterators
4019 @cindex @code{const_iterator}
4020 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4021 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4022
4023 @example
4024 const_iterator ex::begin();
4025 const_iterator ex::end();
4026 @end example
4027
4028 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4029 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4030 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4031 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4032
4033 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4034 given expression in three different ways:
4035
4036 @example
4037 @{
4038     ex e = ...
4039
4040     // with nops()/op()
4041     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4042         cout << e.op(i) << endl;
4043
4044     // with iterators
4045     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4046         cout << *i << endl;
4047
4048     // with iterators and STL copy()
4049     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4050 @}
4051 @end example
4052
4053 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4054 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4055 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4056 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4057 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4058 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4059 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4060 methods
4061
4062 @example
4063 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4064 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4065 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4066 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4067 @end example
4068
4069 The following example illustrates the differences between
4070 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4071 @code{const_postorder_iterator}:
4072
4073 @example
4074 @{
4075     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4076     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4077
4078     std::copy(e.begin(), e.end(),
4079               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4080     // @{A,B@}
4081     // C
4082
4083     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4084               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4085     // @{@{A,B@},C@}
4086     // @{A,B@}
4087     // A
4088     // B
4089     // C
4090
4091     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4092               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4093     // A
4094     // B
4095     // @{A,B@}
4096     // C
4097     // @{@{A,B@},C@}
4098 @}
4099 @end example
4100
4101 @cindex @code{relational} (class)
4102 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4103 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4104 methods
4105
4106 @example
4107 ex ex::lhs();
4108 ex ex::rhs();
4109 @end example
4110
4111
4112 @subsection Comparing expressions
4113 @cindex @code{is_equal()}
4114 @cindex @code{is_zero()}
4115
4116 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4117 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4118 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4119 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4120 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4121 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4122 @code{false}.
4123
4124 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4125 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4126 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4127
4128 There are also two methods
4129
4130 @example
4131 bool ex::is_equal(const ex & other);
4132 bool ex::is_zero();
4133 @end example
4134
4135 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4136 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4137 @pxref{Matrices}. 
4138
4139
4140 @subsection Ordering expressions
4141 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4142 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4143 @cindex @code{compare()}
4144
4145 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4146 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4147 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4148 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4149
4150 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4151 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4152 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4153 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4154 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4155 yield @code{true}.
4156
4157 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4158 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4159 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4160 predicates to the STL:
4161
4162 @example
4163 class ex_is_less @{
4164 public:
4165     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4166 @};
4167
4168 class ex_is_equal @{
4169 public:
4170     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4171 @};
4172 @end example
4173
4174 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4175 have to use
4176
4177 @example
4178 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4179 @end example
4180
4181 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4182 bugs because the map operates improperly.
4183
4184 Other examples for the use of the functors:
4185
4186 @example
4187 std::vector<ex> v;
4188 // fill vector
4189 ...
4190
4191 // sort vector
4192 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4193
4194 // count the number of expressions equal to '1'
4195 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4196                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4197 @end example
4198
4199 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4200
4201 @example
4202 int ex::compare(const ex & other) const;
4203 @end example
4204
4205 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4206 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4207 after @code{other}.
4208
4209
4210 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4211 @c    node-name, next, previous, up
4212 @section Numerical evaluation
4213 @cindex @code{evalf()}
4214
4215 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4216 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4217
4218 @example
4219 ex ex::evalf() const;
4220 @end example
4221
4222 @cindex @code{Digits}
4223 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4224 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4225 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4226
4227 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4228 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4229
4230 @example
4231 @{
4232     // Approximate sin(x/Pi)
4233     symbol x("x");
4234     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4235
4236     // Evaluate numerically at x=0.1
4237     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4238
4239     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4240     if (is_a<numeric>(f)) @{
4241         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4242         cout << d << endl;
4243          // -> 0.0318256
4244     @} else
4245         // error
4246 @}
4247 @end example
4248
4249
4250 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4251 @c    node-name, next, previous, up
4252 @section Substituting expressions
4253 @cindex @code{subs()}
4254
4255 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4256 expressions via the @code{.subs()} method:
4257
4258 @example
4259 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4260 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4261 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4262 @end example
4263
4264 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4265 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4266
4267 @example
4268 @{
4269     symbol x("x"), y("y");
4270
4271     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4272     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4273      // -> 73
4274
4275     ex e2 = x*y + x;
4276     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4277      // -> -10
4278 @}
4279 @end example
4280
4281 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4282 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4283
4284 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4285 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4286 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4287 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4288 be substituted is large or unknown.
4289
4290 Using this form, the second example from above would look like this:
4291
4292 @example
4293 @{
4294     symbol x("x"), y("y");
4295     ex e2 = x*y + x;
4296
4297     exmap m;
4298     m[x] = -2;
4299     m[y] = 4;
4300     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4301 @}
4302 @end example
4303
4304 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4305 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4306 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4307
4308 @example
4309 @{
4310     symbol x("x"), y("y");
4311     ex e2 = x*y + x;
4312
4313     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4314 @}
4315 @end example
4316
4317 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4318 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4319 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4320 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4321 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4322 algebraic substitutions in products and powers.
4323 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4324 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4325 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4326 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4327 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4328 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4329
4330 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4331 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4332 following example:
4333
4334 @example
4335 @{
4336     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4337
4338     ex e1 = pow(x+y, 2);
4339     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4340      // -> 16
4341
4342     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4343     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4344      // -> cos(x)^2*sin(y)
4345
4346     ex e3 = x+y+z;
4347     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4348      // -> x+y+z
4349      // (and not 4+z as one might expect)
4350 @}
4351 @end example
4352
4353 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4354 next section.
4355
4356
4357 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4358 @c    node-name, next, previous, up
4359 @section Pattern matching and advanced substitutions
4360 @cindex @code{wildcard} (class)
4361 @cindex Pattern matching
4362
4363 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4364 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4365 substituting expressions in a more general way.
4366
4367 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4368 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4369 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4370 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4371 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4372 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4373 with the call
4374
4375 @example
4376 ex wild(unsigned label = 0);
4377 @end example
4378
4379 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4380 name.
4381
4382 Some examples for patterns:
4383
4384 @multitable @columnfractions .5 .5
4385 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4386 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4387 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4388 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4389 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4390 @end multitable
4391
4392 Notes:
4393
4394 @itemize @bullet
4395 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4396   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4397 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4398   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4399   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4400 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4401   possible to use them as placeholders for other properties like index
4402   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4403   etc.
4404 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4405   as part of noncommutative products.
4406 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4407   are also valid patterns.
4408 @end itemize
4409
4410 @subsection Matching expressions
4411 @cindex @code{match()}
4412 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4413 matches a given pattern. This is done by the function
4414
4415 @example
4416 bool ex::match(const ex & pattern);
4417 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4418 @end example
4419
4420 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4421 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4422 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4423 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4424 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4425
4426 The matching algorithm works as follows:
4427
4428 @itemize
4429 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4430   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4431   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4432   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4433 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4434   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4435   etc.).
4436 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4437   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4438 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4439   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4440   of the pattern.
4441 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4442   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4443 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4444   match the corresponding subexpression of the pattern.
4445 @end itemize
4446
4447 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4448 account for their commutativity and associativity:
4449
4450 @itemize
4451 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4452   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4453   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4454   way.
4455 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4456   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4457   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4458   further matches.
4459 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4460   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4461   which case this wildcard matches the remaining terms.
4462 @end itemize
4463
4464 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4465 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4466 ambiguous results.
4467
4468 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4469 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4470 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4471
4472 @example
4473 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4474 @{@}
4475 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4476 FAIL
4477 > match((x+y)^a,$1^$2);
4478 @{$1==x+y,$2==a@}
4479 > match((x+y)^a,$1^$1);
4480 FAIL
4481 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4482 @{$1==x+y@}
4483 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4484 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4485 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4486 @{$1==a@}
4487 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4488 @{$1==b,$2==c@}
4489   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4490 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4491   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4492    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4493    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4494    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4495    fail.)
4496 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4497   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4498    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4499 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4500 FAIL
4501 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4502 @{$0==a+e+b+f+d@}
4503 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4504 @{$0==a+b+f+d@}
4505 > match(a+b,a+b+$0);
4506 @{$0==0@}
4507 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4508 FAIL
4509   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4510    even though a==a^1.)
4511 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4512 @{$0==x@}
4513 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4514 @{$0==x^2@}
4515 @end example
4516
4517 @subsection Matching parts of expressions
4518 @cindex @code{has()}
4519 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4520 member function
4521
4522 @example
4523 bool ex::has(const ex & pattern);
4524 @end example
4525
4526 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4527 by any of its subexpressions.
4528
4529 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4530 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4531
4532 @example
4533 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4534 1
4535 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4536 0
4537   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4538    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4539 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4540 1
4541   (But this is possible.)
4542 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4543 0
4544   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4545    which "x+y" is not a subexpression.)
4546 > has(x+1,x^$1);
4547 0
4548   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4549    "x^something".)
4550 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4551 1
4552 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4553 0
4554   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4555    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4556    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4557 @end example
4558
4559 @cindex @code{find()}
4560 The method
4561
4562 @example
4563 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4564 @end example
4565
4566 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4567 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4568 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4569 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4570 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4571
4572 @example
4573 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4574 @{x@}
4575 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4576 @{@}
4577 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4578 @{x^3,x^2@}
4579   (Note the absence of "x".)
4580 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4581 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4582 > find(%,sin($1));
4583 @{sin(y),sin(x)@}
4584 @end example
4585
4586 @subsection Substituting expressions
4587 @cindex @code{subs()}
4588 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4589 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4590 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4591 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4592 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4593
4594 Some examples:
4595
4596 @example
4597 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4598 b^3+a^3+(x+y)^3
4599 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4600 b^4+a^4+(x+y)^4
4601 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4602 (a+b+c)^2
4603 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4604 (x+c)^2
4605 > subs(a+2*b,a+b==x);
4606 a+2*b
4607 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4608 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4609 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4610 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4611 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4612 cos(1+cos(x))
4613 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4614 a+b
4615 @end example
4616
4617 The last example would be written in C++ in this way:
4618
4619 @example
4620 @{
4621     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4622     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4623     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4624     cout << e.expand() << endl;
4625      // -> a+b
4626 @}
4627 @end example
4628
4629 @subsection The option algebraic
4630 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4631 extra options. This section describes what happens if you give the former
4632 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4633 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4634 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4635 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4636 If you use these options you will find that
4637 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4638 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4639 often as is possible without getting negative exponents. For example
4640 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4641 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4642 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4643 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4644
4645 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4646 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4647
4648
4649 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4650 @c    node-name, next, previous, up
4651 @section Applying a function on subexpressions
4652 @cindex tree traversal
4653 @cindex @code{map()}
4654
4655 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4656 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4657 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4658 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4659 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4660 to do this manually which usually results in code like this:
4661
4662 @example
4663 ex calc_trace(ex e)
4664 @{
4665     if (is_a<matrix>(e))
4666         return ex_to<matrix>(e).trace();
4667     else if (is_a<add>(e)) @{
4668         ex sum = 0;
4669         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4670             sum += calc_trace(e.op(i));
4671         return sum;
4672     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4673         ...
4674     @} else @{
4675         ...
4676     @}
4677 @}
4678 @end example
4679
4680 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4681 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4682 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4683 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4684 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4685
4686 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4687 operations:
4688
4689 @example
4690 ex ex::map(map_function & f) const;
4691 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4692 @end example
4693
4694 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4695 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4696 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4697 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4698 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4699 non-recursively.
4700
4701 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4702 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4703 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4704 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4705 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4706
4707 @example
4708 struct calc_trace : public map_function @{
4709     ex operator()(const ex &e)
4710     @{
4711         if (is_a<matrix>(e))
4712             return ex_to<matrix>(e).trace();
4713         else if (is_a<mul>(e)) @{
4714             ...
4715         @} else
4716             return e.map(*this);
4717     @}
4718 @};
4719 @end example
4720
4721 This function object could then be used like this:
4722
4723 @example
4724 @{
4725     ex M = ... // expression with matrices
4726     calc_trace do_trace;
4727     ex tr = do_trace(M);
4728 @}
4729 @end example
4730
4731 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4732 terms in a variable from an expanded polynomial:
4733
4734 @example
4735 struct map_rem_quad : public map_function @{
4736     ex var;
4737     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4738
4739     ex operator()(const ex & e)
4740     @{
4741         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4742             return e.map(*this);
4743         else if (is_a<power>(e) && 
4744                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4745             return 0;
4746         else
4747             return e;
4748     @}
4749 @};
4750
4751 ...
4752
4753 @{
4754     symbol x("x"), y("y");
4755
4756     ex e;
4757     for (int i=0; i<8; i++)
4758         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4759     cout << e << endl;
4760      // -> 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
4761
4762     map_rem_quad rem_quad(x);
4763     cout << rem_quad(e) << endl;
4764      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4765 @}
4766 @end example
4767
4768 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4769 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4770 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4771 acts as the placeholder for the operands:
4772
4773 @example
4774 > map(a*b,sin($0));
4775 sin(a)*sin(b)
4776 > map(a+2*b,sin($0));
4777 sin(a)+sin(2*b)
4778 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4779 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4780 @end example
4781
4782 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4783 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4784 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4785
4786 @example
4787 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4788 @{0,0,0@}
4789   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4790   to "map(@{a,b,c@},0)".
4791 @end example
4792
4793
4794 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4795 @c    node-name, next, previous, up
4796 @section Visitors and tree traversal
4797 @cindex tree traversal
4798 @cindex @code{visitor} (class)
4799 @cindex @code{accept()}
4800 @cindex @code{visit()}
4801 @cindex @code{traverse()}
4802 @cindex @code{traverse_preorder()}
4803 @cindex @code{traverse_postorder()}
4804
4805 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4806 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4807 indices with variance you always want the covariant version returned.
4808
4809 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4810 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4811 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4812 with variance, one for plain ones).
4813
4814 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4815 such as the following:
4816
4817 @example
4818 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4819 @{
4820     if (is_a<varidx>(e)) @{
4821         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4822         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4823     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4824         l.append(e);
4825     @} else @{
4826         size_t n = e.nops();
4827         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4828             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4829     @}
4830 @}
4831
4832 lst gather_indices(const ex & e)
4833 @{
4834     lst l;
4835     gather_indices_helper(e, l);
4836     l.sort();
4837     l.unique();
4838     return l;
4839 @}
4840 @end example
4841
4842 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4843 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4844 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4845
4846 @example
4847     if (is_a<idx>(e)) @{
4848       ...
4849     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4850       ...
4851 @end example
4852
4853 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4854 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4855 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4856 executed.
4857
4858 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4859 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4860 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4861 write a function that required a different implementation for nearly
4862 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4863
4864 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4865 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4866 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4867 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4868 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4869 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4870 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4871 presented this would be impractical.
4872
4873 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4874 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4875 variation, described in detail in
4876 @uref{https://condor.depaul.edu/dmumaugh/OOT/Design-Principles/acv.pdf}). Instead of adding
4877 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4878 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4879 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4880 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4881 object that @code{accept()} was being invoked on.
4882
4883 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4884 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4885 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4886 each class.
4887
4888 A call of
4889
4890 @example
4891 void ex::accept(visitor & v) const;
4892 @end example
4893
4894 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4895 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4896 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4897
4898 Here is an example of a visitor:
4899
4900 @example
4901 class my_visitor
4902  : public visitor,          // this is required
4903    public add::visitor,     // visit add objects
4904    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4905    public basic::visitor    // visit basic objects
4906 @{
4907     void visit(const add & x)
4908     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4909
4910     void visit(const numeric & x)
4911     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4912
4913     void visit(const basic & x)
4914     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4915 @};
4916 @end example
4917
4918 which can be used as follows:
4919
4920 @example
4921 ...
4922     symbol x("x");
4923     ex e1 = 42;
4924     ex e2 = 4*x-3;
4925     ex e3 = 8*x;
4926
4927     my_visitor v;
4928     e1.accept(v);
4929      // prints "called with a numeric object"
4930     e2.accept(v);
4931      // prints "called with an add object"
4932     e3.accept(v);
4933      // prints "called with a basic object"
4934 ...
4935 @end example
4936
4937 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4938 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4939
4940 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4941 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4942 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4943 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4944 hierarchies of visitors.
4945
4946 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4947
4948 @example
4949 class gather_indices_visitor
4950  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4951 @{
4952     lst l;
4953
4954     void visit(const idx & i)
4955     @{
4956         l.append(i);
4957     @}
4958
4959     void visit(const varidx & vi)
4960     @{
4961         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4962     @}
4963
4964 public:
4965     const lst & get_result() // utility function
4966     @{
4967         l.sort();
4968         l.unique();
4969         return l;
4970     @}
4971 @};
4972 @end example
4973
4974 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4975 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4976
4977 @example
4978 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4979 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4980 void ex::traverse(visitor & v) const;
4981 @end example
4982
4983 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4984 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4985 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4986 @code{traverse_preorder()}.
4987
4988 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4989 and @code{traverse()}:
4990
4991 @example
4992 lst gather_indices(const ex & e)
4993 @{
4994     gather_indices_visitor v;
4995     e.traverse(v);
4996     return v.get_result();
4997 @}
4998 @end example
4999
5000 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5001 traversal:
5002
5003 @example
5004 lst gather_indices(const ex & e)
5005 @{
5006     gather_indices_visitor v;
5007     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5008          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5009         i->accept(v);
5010     @}
5011     return v.get_result();
5012 @}
5013 @end example
5014
5015
5016 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5017 @c    node-name, next, previous, up
5018 @section Polynomial arithmetic
5019
5020 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5021 @cindex @code{is_polynomial()}
5022
5023 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5024 can be done with the method
5025 @example
5026 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5027 @end example
5028 In the case of more than
5029 one variable, the variables are given as a list.
5030
5031 @example
5032 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5033 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5034 @end example
5035
5036 @subsection Expanding and collecting
5037 @cindex @code{expand()}
5038 @cindex @code{collect()}
5039 @cindex @code{collect_common_factors()}
5040
5041 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5042 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5043 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5044 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5045 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5046 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5047 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5048 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5049 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5050 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5051 x*z}.
5052
5053 To bring an expression into expanded form, its method
5054
5055 @example
5056 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5057 @end example
5058
5059 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5060 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5061 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5062 orderings of terms in such sums!
5063
5064 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5065 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5066 being polynomials in the remaining variables.  The method
5067 @code{collect()} accomplishes this task:
5068
5069 @example
5070 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5071 @end example
5072
5073 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5074 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5075 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5076 by the @code{distributed} flag.
5077
5078 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5079 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5080 coefficients properly.
5081
5082 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5083 together with @code{find()}:
5084
5085 @example
5086 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5087 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)
5088 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5089 > collect(a,@{p,q@});
5090 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5091 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5092 > collect(a,find(a,sin($1)));
5093 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5094 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5095 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5096 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5097 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5098 @end example
5099
5100 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5101 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5102
5103 @example
5104 ex collect_common_factors(const ex & e);
5105 @end example
5106
5107 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5108 factors which are already explicitly present:
5109
5110 @example
5111 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5112 (x+y)*a
5113 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5114 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5115 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5116 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5117 @end example
5118
5119 @subsection Degree and coefficients
5120 @cindex @code{degree()}
5121 @cindex @code{ldegree()}
5122 @cindex @code{coeff()}
5123
5124 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5125 using the two methods
5126
5127 @example
5128 int ex::degree(const ex & s);
5129 int ex::ldegree(const ex & s);
5130 @end example
5131
5132 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5133 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5134 with a certain power from an expanded polynomial you use
5135
5136 @example
5137 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5138 @end example
5139
5140 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5141
5142 @example
5143 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5144 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5145 @end example
5146
5147 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5148 respectively.
5149
5150 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5151 polynomial is analyzed:
5152
5153 @example
5154 @{
5155     symbol x("x"), y("y");
5156     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5157                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5158     ex Poly = PolyInp.expand();
5159     
5160     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5161         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5162              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5163     @}
5164     cout << "As polynomial in y: " 
5165          << Poly.collect(y) << endl;
5166 @}
5167 @end example
5168
5169 When run, it returns an output in the following fashion:
5170
5171 @example
5172 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5173 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5174 The x^2-coefficient is -1
5175 The x^3-coefficient is 4*y
5176 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5177 @end example
5178
5179 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5180 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5181 within the user's sphere of influence.
5182
5183 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5184 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5185 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5186 constants, functions and indexed objects as well:
5187
5188 @example
5189 @{
5190     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5191     idx i(symbol("i"), 3);
5192
5193     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5194     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5195      // -> 4
5196     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5197      // -> -4*cos(x)
5198
5199     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5200     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5201     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5202      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5203 @}
5204 @end example
5205
5206
5207 @subsection Polynomial division
5208 @cindex polynomial division
5209 @cindex quotient
5210 @cindex remainder
5211 @cindex pseudo-remainder
5212 @cindex @code{quo()}
5213 @cindex @code{rem()}
5214 @cindex @code{prem()}
5215 @cindex @code{divide()}
5216
5217 The two functions
5218
5219 @example
5220 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5221 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5222 @end example
5223
5224 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5225 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5226
5227 The additional function
5228
5229 @example
5230 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5231 @end example
5232
5233 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5234 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5235
5236 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5237
5238 @example
5239 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5240 @end example
5241
5242 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5243 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5244 in which case the value of @code{q} is undefined.
5245
5246
5247 @subsection Unit, content and primitive part
5248 @cindex @code{unit()}
5249 @cindex @code{content()}
5250 @cindex @code{primpart()}
5251 @cindex @code{unitcontprim()}
5252
5253 The methods
5254
5255 @example
5256 ex ex::unit(const ex & x);
5257 ex ex::content(const ex & x);
5258 ex ex::primpart(const ex & x);
5259 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5260 @end example
5261
5262 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5263 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5264 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5265 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5266 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5267 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5268 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5269 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5270
5271 Additionally, the method
5272
5273 @example
5274 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5275 @end example
5276
5277 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5278 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5279
5280
5281 @subsection GCD, LCM and resultant
5282 @cindex GCD
5283 @cindex LCM
5284 @cindex @code{gcd()}
5285 @cindex @code{lcm()}
5286
5287 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5288 multiple have the synopsis
5289
5290 @example
5291 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5292 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5293 @end example
5294
5295 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5296 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5297 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5298 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5299 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5300 the coefficients must be rationals.
5301
5302 @example
5303 #include <ginac/ginac.h>
5304 using namespace GiNaC;
5305
5306 int main()
5307 @{
5308     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5309     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5310     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5311
5312     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5313     // x + 5*y + 4*z
5314     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5315     // 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
5316 @}
5317 @end example
5318
5319 @cindex resultant
5320 @cindex @code{resultant()}
5321
5322 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5323 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5324 expressions. The function has the interface
5325
5326 @example
5327 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5328 @end example
5329
5330 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5331 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5332 @code{y}, respectively:
5333
5334 @example
5335 #include <ginac/ginac.h>
5336 using namespace GiNaC;
5337
5338 int main()
5339 @{
5340     symbol x("x"), y("y");
5341
5342     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5343     ex r;
5344     
5345     r = resultant(e1, e2, x); 
5346     // -> 1+2*y^6
5347     r = resultant(e1, e2, y); 
5348     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5349 @}
5350 @end example
5351
5352 @subsection Square-free decomposition
5353 @cindex square-free decomposition
5354 @cindex factorization
5355 @cindex @code{sqrfree()}
5356
5357 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5358 @example
5359 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5360 @end example
5361 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5362 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5363 some care with subsequent processing of the result:
5364 @example
5365     ...
5366     symbol x("x"), y("y");
5367     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5368
5369     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5370      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5371
5372     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5373      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5374
5375     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5376      // -> depending on luck, any of the above
5377     ...
5378 @end example
5379 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5380 with this method.
5381
5382 @subsection Polynomial factorization
5383 @cindex factorization
5384 @cindex polynomial factorization
5385 @cindex @code{factor()}
5386
5387 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5388 @example
5389 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5390 @end example
5391 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5392 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5393 @example
5394     ...
5395     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5396      // -> (1+x)*(-1+x)
5397     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5398      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5399     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5400      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5401     ...
5402 @end example
5403 The results are as expected except for the last one where no factorization
5404 seems to have been done. This is due to the default option
5405 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5406 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5407 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5408
5409 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5410 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5411 arguments. With this option the example gives:
5412 @example
5413     ...
5414     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5415          << endl;
5416      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5417     ...
5418 @end example
5419 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5420 the following example does not factor:
5421 @example
5422     ...
5423     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5424      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5425     ...
5426 @end example
5427 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5428 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5429 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5430 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5431 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5432 cheaper and more appropriate alternative.
5433
5434 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5435 @c    node-name, next, previous, up
5436 @section Rational expressions
5437
5438 @subsection The @code{normal} method
5439 @cindex @code{normal()}
5440 @cindex simplification
5441 @cindex temporary replacement
5442
5443 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5444 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5445 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5446 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5447 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5448 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5449
5450 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5451 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5452 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5453 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5454 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5455 @code{.to_rational()}, described below.
5456
5457 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5458 simplified in this little code snippet:
5459
5460 @example
5461 @{
5462     symbol x("x");
5463     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5464     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5465     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5466     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5467 @}
5468 @end example
5469
5470 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5471 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5472 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5473
5474
5475 @subsection Numerator and denominator
5476 @cindex numerator
5477 @cindex denominator
5478 @cindex @code{numer()}
5479 @cindex @code{denom()}
5480 @cindex @code{numer_denom()}
5481
5482 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5483
5484 @example
5485 ex ex::numer();
5486 ex ex::denom();
5487 ex ex::numer_denom();
5488 @end example
5489
5490 These functions will first normalize the expression as described above and
5491 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5492 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5493 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5494 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5495 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5496 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5497
5498
5499 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5500 @cindex @code{to_polynomial()}
5501 @cindex @code{to_rational()}
5502
5503 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5504 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5505 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5506 above. You do this by calling
5507
5508 @example
5509 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5510 @end example
5511 or
5512 @example
5513 ex ex::to_rational(exmap & m);
5514 @end example
5515
5516 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5517 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5518 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5519 already contain a list of replacements from an earlier application of
5520 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5521 it on multiple expressions and get consistent results.
5522
5523 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5524 is probably best illustrated with an example:
5525
5526 @example
5527 @{
5528     symbol x("x"), y("y");
5529     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5530     cout << a << endl;
5531
5532     exmap mp;
5533     ex p = a.to_polynomial(mp);
5534     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5535      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5536      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5537
5538     exmap mr;
5539     ex r = a.to_rational(mr);
5540     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5541      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5542      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5543 @}
5544 @end example
5545
5546 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5547
5548 @example
5549 @{
5550     symbol x("x");
5551     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5552     ex b = sin(x) + cos(x);
5553     ex q;
5554     exmap m;
5555     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5556     cout << q.subs(m) << endl;
5557 @}
5558 @end example
5559
5560
5561 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5562 @c    node-name, next, previous, up
5563 @section Symbolic differentiation
5564 @cindex differentiation
5565 @cindex @code{diff()}
5566 @cindex chain rule
5567 @cindex product rule
5568
5569 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5570 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5571 the derivatives of all the monomials:
5572
5573 @example
5574 @{
5575     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5576     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5577
5578     cout << P.diff(x,2) << endl;
5579      // -> 20*x^3 + 2
5580     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5581      // -> 1
5582     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5583      // -> 0
5584 @}
5585 @end example
5586
5587 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5588 returns the @var{n}th derivative.
5589
5590 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5591 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5592 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5593 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5594 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5595 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5596 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5597 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5598 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5599 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5600 lines:
5601
5602 @cindex Euler numbers
5603 @example
5604 #include <ginac/ginac.h>
5605 using namespace GiNaC;
5606
5607 ex EulerNumber(unsigned n)
5608 @{
5609     symbol x;
5610     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5611     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5612 @}
5613
5614 int main()
5615 @{
5616     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5617         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5618     return 0;
5619 @}
5620 @end example
5621
5622 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5623 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5624 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5625
5626
5627 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5628 @c    node-name, next, previous, up
5629 @section Series expansion
5630 @cindex @code{series()}
5631 @cindex Taylor expansion
5632 @cindex Laurent expansion
5633 @cindex @code{pseries} (class)
5634 @cindex @code{Order()}
5635
5636 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5637 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5638 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5639 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5640 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5641 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5642 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5643 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5644 term).  A sample application from special relativity could read:
5645
5646 @example
5647 #include <ginac/ginac.h>
5648 using namespace std;
5649 using namespace GiNaC;
5650
5651 int main()
5652 @{
5653     symbol v("v"), c("c");
5654     
5655     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5656     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5657     
5658     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5659          << mass_nonrel << endl;
5660     
5661     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5662          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5663 @}
5664 @end example
5665
5666 Only calling the series method makes the last output simplify to
5667 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5668 series raised to the power @math{-2}.
5669
5670 @cindex Machin's formula
5671 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5672 value of Archimedes' constant
5673 @tex
5674 $\pi$
5675 @end tex
5676 @ifnottex
5677 @math{Pi}
5678 @end ifnottex
5679 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5680 using John Machin's amazing formula
5681 @tex
5682 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5683 @end tex
5684 @ifnottex
5685 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5686 @end ifnottex
5687 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5688 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5689 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5690 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5691 order term with it and the question arises what the system is supposed
5692 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5693 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5694 term off:
5695
5696 @example
5697 #include <ginac/ginac.h>
5698 using namespace GiNaC;
5699
5700 ex machin_pi(int degr)
5701 @{
5702     symbol x;
5703     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5704     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5705                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5706     return pi_approx;
5707 @}
5708
5709 int main()
5710 @{
5711     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5712     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5713     ex pi_frac;
5714     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5715         pi_frac = machin_pi(i);
5716         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5717              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5718     @}
5719     return 0;
5720 @}
5721 @end example
5722
5723 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5724 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5725 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5726 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5727 program, it will type out:
5728
5729 @example
5730 2:      3804/1195
5731         3.1832635983263598326
5732 4:      5359397032/1706489875
5733         3.1405970293260603143
5734 6:      38279241713339684/12184551018734375
5735         3.141621029325034425
5736 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5737         3.141591772182177295
5738 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5739         3.1415926824043995174
5740 @end example
5741
5742
5743 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5744 @c    node-name, next, previous, up
5745 @section Symmetrization
5746 @cindex @code{symmetrize()}
5747 @cindex @code{antisymmetrize()}
5748 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5749
5750 The three methods
5751
5752 @example
5753 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5754 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5755 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5756 @end example
5757
5758 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5759 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5760 weighted by the number of permutations.
5761
5762 The three additional methods
5763
5764 @example
5765 ex ex::symmetrize();
5766 ex ex::antisymmetrize();
5767 ex ex::symmetrize_cyclic();
5768 @end example
5769
5770 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5771
5772 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5773 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5774
5775 @example
5776 @{
5777     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5778     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5779                                            
5780     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5781      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5782     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5783      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5784     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5785      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5786 @}
5787 @end example
5788
5789 @page
5790
5791 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5792 @c    node-name, next, previous, up
5793 @section Predefined mathematical functions
5794 @c
5795 @subsection Overview
5796
5797 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5798
5799 @cartouche
5800 @multitable @columnfractions .30 .70
5801 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5802 @item @code{abs(x)}
5803 @tab absolute value
5804 @cindex @code{abs()}
5805 @item @code{step(x)}
5806 @tab step function
5807 @cindex @code{step()}
5808 @item @code{csgn(x)}
5809 @tab complex sign
5810 @cindex @code{conjugate()}
5811 @item @code{conjugate(x)}
5812 @tab complex conjugation
5813 @cindex @code{real_part()}
5814 @item @code{real_part(x)}
5815 @tab real part
5816 @cindex @code{imag_part()}
5817 @item @code{imag_part(x)}
5818 @tab imaginary part
5819 @item @code{sqrt(x)}
5820 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5821 @cindex @code{sqrt()}
5822 @item @code{sin(x)}
5823 @tab sine
5824 @cindex @code{sin()}
5825 @item @code{cos(x)}
5826 @tab cosine
5827 @cindex @code{cos()}
5828 @item @code{tan(x)}
5829 @tab tangent
5830 @cindex @code{tan()}
5831 @item @code{asin(x)}
5832 @tab inverse sine
5833 @cindex @code{asin()}
5834 @item @code{acos(x)}
5835 @tab inverse cosine
5836 @cindex @code{acos()}
5837 @item @code{atan(x)}
5838 @tab inverse tangent
5839 @cindex @code{atan()}
5840 @item @code{atan2(y, x)}
5841 @tab inverse tangent with two arguments
5842 @item @code{sinh(x)}
5843 @tab hyperbolic sine
5844 @cindex @code{sinh()}
5845 @item @code{cosh(x)}
5846 @tab hyperbolic cosine
5847 @cindex @code{cosh()}
5848 @item @code{tanh(x)}
5849 @tab hyperbolic tangent
5850 @cindex @code{tanh()}
5851 @item @code{asinh(x)}
5852 @tab inverse hyperbolic sine
5853 @cindex @code{asinh()}
5854 @item @code{acosh(x)}
5855 @tab inverse hyperbolic cosine
5856 @cindex @code{acosh()}
5857 @item @code{atanh(x)}
5858 @tab inverse hyperbolic tangent
5859 @cindex @code{atanh()}
5860 @item @code{exp(x)}
5861 @tab exponential function
5862 @cindex @code{exp()}
5863 @item @code{log(x)}
5864 @tab natural logarithm
5865 @cindex @code{log()}
5866 @item @code{eta(x,y)}
5867 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5868 @cindex @code{eta()}
5869 @item @code{Li2(x)}
5870 @tab dilogarithm
5871 @cindex @code{Li2()}
5872 @item @code{Li(m, x)}
5873 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5874 @cindex @code{Li()}
5875 @item @code{G(a, y)}
5876 @tab multiple polylogarithm
5877 @cindex @code{G()}
5878 @item @code{G(a, s, y)}
5879 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5880 @cindex @code{G()}
5881 @item @code{S(n, p, x)}
5882 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5883 @cindex @code{S()}
5884 @item @code{H(m, x)}
5885 @tab harmonic polylogarithm
5886 @cindex @code{H()}
5887 @item @code{zeta(m)}
5888 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5889 @cindex @code{zeta()}
5890 @item @code{zeta(m, s)}
5891 @tab alternating Euler sum
5892 @cindex @code{zeta()}
5893 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5894 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5895 @item @code{iterated_integral(a, y)}
5896 @tab iterated integral
5897 @cindex @code{iterated_integral()}
5898 @item @code{iterated_integral(a, y, N)}
5899 @tab iterated integral with explicit truncation parameter
5900 @cindex @code{iterated_integral()}
5901 @item @code{tgamma(x)}
5902 @tab gamma function
5903 @cindex @code{tgamma()}
5904 @cindex gamma function
5905 @item @code{lgamma(x)}
5906 @tab logarithm of gamma function
5907 @cindex @code{lgamma()}
5908 @item @code{beta(x, y)}
5909 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5910 @cindex @code{beta()}
5911 @item @code{psi(x)}
5912 @tab psi (digamma) function
5913 @cindex @code{psi()}
5914 @item @code{psi(n, x)}
5915 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5916 @item @code{EllipticK(x)}
5917 @tab complete elliptic integral of the first kind
5918 @cindex @code{EllipticK()}
5919 @item @code{EllipticE(x)}
5920 @tab complete elliptic integral of the second kind
5921 @cindex @code{EllipticE()}
5922 @item @code{factorial(n)}
5923 @tab factorial function @math{n!}
5924 @cindex @code{factorial()}
5925 @item @code{binomial(n, k)}
5926 @tab binomial coefficients
5927 @cindex @code{binomial()}
5928 @item @code{Order(x)}
5929 @tab order term function in truncated power series
5930 @cindex @code{Order()}
5931 @end multitable
5932 @end cartouche
5933
5934 @cindex branch cut
5935 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5936 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5937 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5938 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5939 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5940 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5941 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5942 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5943 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5944 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5945 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5946 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5947 counter clockwise direction.
5948
5949 @c
5950 @subsection Expanding functions
5951 @cindex expand trancedent functions
5952 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5953 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5954 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5955 @tex
5956 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5957 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5958 @end tex
5959 @ifnottex
5960 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5961 @end ifnottex
5962 or
5963 @tex
5964 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5965 @end tex
5966 @ifnottex
5967 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5968 @end ifnottex
5969 (for positive
5970 @tex
5971 $c,\ d$
5972 @end tex
5973 @ifnottex
5974 @command{c, d}
5975 @end ifnottex
5976 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5977 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5978 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
5979 usage and interaction can be seen from the following example:
5980 @example
5981 @{
5982         symbol x("x"),  y("y");
5983         ex e=exp(pow(x+y,2));
5984         cout << e.expand() << endl;
5985         // -> exp((x+y)^2)
5986         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
5987         // -> exp((x+y)^2)
5988         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
5989         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
5990         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
5991                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
5992         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
5993 @}
5994 @end example
5995 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
5996 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
5997 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
5998 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
5999 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
6000 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
6001
6002 @node Multiple polylogarithms, Iterated integrals, Built-in functions, Methods and functions
6003 @c    node-name, next, previous, up
6004 @subsection Multiple polylogarithms
6005
6006 @cindex polylogarithm
6007 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6008 @cindex harmonic polylogarithm
6009 @cindex multiple zeta value
6010 @cindex alternating Euler sum
6011 @cindex multiple polylogarithm
6012
6013 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6014 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6015 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6016 Each of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6017 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6018 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6019 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6020 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6021 notations are more natural to the series representation or the integral
6022 representation, respectively.
6023
6024 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6025 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6026 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6027
6028 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6029 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6030 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6031 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6032 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6033 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6034 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6035 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6036 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6037 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6038 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6039
6040 The functions print in LaTeX format as
6041 @tex
6042 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6043 @end tex
6044 @tex
6045 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6046 @end tex
6047 @tex
6048 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6049 @end tex
6050 @tex
6051 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6052 @end tex
6053 @ifnottex
6054 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6055 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6056 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6057 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6058 @end ifnottex
6059 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6060 are printed with a line above, e.g.
6061 @tex
6062 $\zeta(5,\overline{2})$.
6063 @end tex
6064 @ifnottex
6065 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6066 @end ifnottex
6067 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6068
6069 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6070 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6071 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6072 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6073
6074 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6075 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6076 the series representation. This means
6077 @tex
6078 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6079 @end tex
6080 @tex
6081 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6082 @end tex
6083 @tex
6084 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6085 @end tex
6086 @ifnottex
6087 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6088 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6089 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6090 @end ifnottex
6091 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6092 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6093
6094 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6095 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6096 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6097 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6098 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6099 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6100 @tex
6101 $\zeta(\overline{3},4)$
6102 @end tex
6103 @ifnottex
6104 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6105 @end ifnottex
6106 and
6107 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6108 @tex
6109 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6110 @end tex
6111 @ifnottex
6112 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6113 @end ifnottex
6114 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6115 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6116 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
6117 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6118 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6119 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6120 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6121
6122 @example
6123 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6124 S(2,2,x)
6125 > H(@{-3,2@},1);
6126 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6127 > S(3,1,1);
6128 1/90*Pi^4
6129 @end example
6130
6131 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6132 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6133 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6134 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6135 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6136 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6137
6138 @example
6139 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6140 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6141 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6142 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6143 @end example
6144
6145 Every function can be numerically evaluated for
6146 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6147 global variable @code{Digits}:
6148
6149 @example
6150 > Digits=100;
6151 100
6152 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6153 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6154 @end example
6155
6156 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6157 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6158
6159 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6160 unevaluated, e.g.
6161 @tex
6162 $\zeta(1)$.
6163 @end tex
6164 @ifnottex
6165 @command{zeta(1)}.
6166 @end ifnottex
6167 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6168 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6169 cancellations of divergencies happen.
6170
6171 Useful publications:
6172
6173 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6174 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6175
6176 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6177 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6178
6179 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6180 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6181
6182 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6183 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6184
6185 @node Iterated integrals, Complex expressions, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6186 @c    node-name, next, previous, up
6187 @subsection Iterated integrals
6188
6189 Multiple polylogarithms are a particular example of iterated integrals.
6190 An iterated integral is defined by the function @code{iterated_integral(a,y)}.
6191 The variable @code{y} gives the upper integration limit for the outermost integration, by convention the lower integration limit is always set to zero.
6192 The variable @code{a} must be a GiNaC @code{lst} containing sub-classes of @code{integration_kernel} as elements.
6193 The depth of the iterated integral corresponds to the number of elements of @code{a}.
6194 The available integrands for iterated integrals are
6195 (for a more detailed description the user is referred to the publications listed at the end of this section)
6196 @cartouche
6197 @multitable @columnfractions .40 .60
6198 @item @strong{Class} @tab @strong{Description}
6199 @item @code{integration_kernel()}
6200 @tab Base class, represents the one-form @math{dy}
6201 @cindex @code{integration_kernel()}
6202 @item @code{basic_log_kernel()}
6203 @tab Logarithmic one-form @math{dy/y}
6204 @cindex @code{basic_log_kernel()}
6205 @item @code{multiple_polylog_kernel(z_j)}
6206 @tab The one-form @math{dy/(y-z_j)}
6207 @cindex @code{multiple_polylog_kernel()}
6208 @item @code{ELi_kernel(n, m, x, y)}
6209 @tab The one form @math{ELi_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6210 @cindex @code{ELi_kernel()}
6211 @item @code{Ebar_kernel(n, m, x, y)}
6212 @tab The one form @math{\overline{E}_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6213 @cindex @code{Ebar_kernel()}
6214 @item @code{Kronecker_dtau_kernel(k, z_j, K, C_k)}
6215 @tab The one form @math{C_k K (k-1)/(2 \pi i)^k g^{(k)}(z_j,K \tau) dq/q}
6216 @cindex @code{Kronecker_dtau_kernel()}
6217 @item @code{Kronecker_dz_kernel(k, z_j, tau, K, C_k)}
6218 @tab The one form @math{C_k (2 \pi i)^{2-k} g^{(k-1)}(z-z_j,K \tau) dz}
6219 @cindex @code{Kronecker_dz_kernel()}
6220 @item @code{Eisenstein_kernel(k, N, a, b, K, C_k)}
6221 @tab The one form @math{C_k E_{k,N,a,b,K}(\tau) dq/q}
6222 @cindex @code{Eisenstein_kernel()}
6223 @item @code{Eisenstein_h_kernel(k, N, r, s, C_k)}
6224 @tab The one form @math{C_k h_{k,N,r,s}(\tau) dq/q}
6225 @cindex @code{Eisenstein_h_kernel()}
6226 @item @code{modular_form_kernel(k, P, C_k)}
6227 @tab The one form @math{C_k P dq/q}
6228 @cindex @code{modular_form_kernel()}
6229 @item @code{user_defined_kernel(f, y)}
6230 @tab The one form @math{f(y) dy}
6231 @cindex @code{user_defined_kernel()}
6232 @end multitable
6233 @end cartouche
6234 All parameters are assumed to be such that all integration kernels have a convergent Laurent expansion
6235 around zero with at most a simple pole at zero.
6236 The iterated integral may also be called with an optional third parameter
6237 @code{iterated_integral(a,y,N_trunc)}, in which case the numerical evaluation will truncate the series
6238 expansion at order @code{N_trunc}.
6239
6240 The classes @code{Eisenstein_kernel()}, @code{Eisenstein_h_kernel()} and @code{modular_form_kernel()}
6241 provide a method @code{q_expansion_modular_form(q, order)}, which can used to obtain the q-expansion
6242 of @math{E_{k,N,a,b,K}(\tau)}, @math{h_{k,N,r,s}(\tau)} or @math{P} to the specified order.
6243
6244 Useful publications:
6245
6246 @cite{Numerical evaluation of iterated integrals related to elliptic Feynman integrals}, 
6247 M.Walden, S.Weinzierl, arXiv:2010.05271
6248
6249 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Iterated integrals, Methods and functions
6250 @c    node-name, next, previous, up
6251 @section Complex expressions
6252 @c
6253 @cindex @code{conjugate()}
6254
6255 For dealing with complex expressions there are the methods
6256
6257 @example
6258 ex ex::conjugate();
6259 ex ex::real_part();
6260 ex ex::imag_part();
6261 @end example
6262
6263 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6264 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6265 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6266 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6267 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6268 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6269 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6270 (symbols are complex by default), one could not simplify
6271 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6272 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6273
6274 For example,
6275 @example
6276 @{
6277     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6278     symbol x("x");
6279     realsymbol y("y");
6280                                            
6281     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6282      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6283     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6284      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6285 @}
6286 @end example
6287
6288 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6289 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6290 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6291 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6292 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6293 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6294 parts of user-defined functions.
6295
6296 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6297 @c    node-name, next, previous, up
6298 @section Solving linear systems of equations
6299 @cindex @code{lsolve()}
6300
6301 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6302 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6303 needs to be solved:
6304
6305 @example
6306 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6307           unsigned options = solve_algo::automatic);
6308 @end example
6309
6310 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6311 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6312 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6313 @code{lst}).
6314
6315 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6316 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6317
6318 @example
6319 @{
6320     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6321     lst eqns = @{a*x+b*y==3, x-y==b@};
6322     lst vars = @{x, y@};
6323     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6324      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6325 @end example
6326
6327 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6328 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6329 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6330 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6331 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6332 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6333 around that method.
6334
6335
6336 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6337 @c    node-name, next, previous, up
6338 @section Input and output of expressions
6339 @cindex I/O
6340
6341 @subsection Expression output
6342 @cindex printing
6343 @cindex output of expressions
6344
6345 Expressions can simply be written to any stream:
6346
6347 @example
6348 @{
6349     symbol x("x");
6350     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6351     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6352     // ...
6353 @end example
6354
6355 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6356 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6357 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6358 is printed as @samp{x^2}).
6359
6360 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6361 a set of stream manipulators;
6362
6363 @example
6364 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6365 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6366 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6367 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6368 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6369 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6370 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6371 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6372 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6373 @end example
6374
6375 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6376 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6377 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6378
6379 @cindex @code{dflt}
6380 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6381 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6382
6383 @example
6384     // ...
6385     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6386                               // now on
6387     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6388     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6389     cout << dflt;             // revert to default output format
6390     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6391     // ...
6392 @end example
6393
6394 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6395 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6396
6397 @example
6398     // ...
6399     ostringstream s;
6400     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6401     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6402     // ...
6403 @end example
6404
6405 @anchor{csrc printing}
6406 @cindex @code{csrc}
6407 @cindex @code{csrc_float}
6408 @cindex @code{csrc_double}
6409 @cindex @code{csrc_cl_N}
6410 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6411 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6412 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6413 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6414 classes provided by the CLN library):
6415
6416 @example
6417     // ...
6418     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6419     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6420     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6421     // ...
6422 @end example
6423
6424 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6425 @code{x*x}):
6426
6427 @example
6428 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6429 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6430 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6431 @end example
6432
6433 @cindex @code{tree}
6434 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6435 expression for debugging purposes:
6436
6437 @example
6438     // ...
6439     cout << tree << e;
6440 @}
6441 @end example
6442
6443 produces
6444
6445 @example
6446 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6447     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6448         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6449         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6450     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6451     -----
6452     overall_coeff
6453     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6454     =====
6455 @end example
6456
6457 @cindex @code{latex}
6458 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6459 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6460 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6461 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6462 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6463 constructor.
6464
6465 For example, the code snippet
6466
6467 @example
6468 @{
6469     symbol x("x", "\\circ");
6470     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6471     cout << latex << e << endl;
6472 @}
6473 @end example
6474
6475 will print
6476
6477 @example
6478     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6479     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6480 @end example
6481
6482 @cindex @code{index_dimensions}
6483 @cindex @code{no_index_dimensions}
6484 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6485 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6486 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6487 formats:
6488
6489 @example
6490 @{
6491     symbol x("x"), y("y");
6492     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6493     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6494
6495     cout << e << endl;
6496      // prints 'x~mu*y~nu'
6497     cout << index_dimensions << e << endl;
6498      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6499     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6500      // prints 'x~mu*y~nu'
6501 @}
6502 @end example
6503
6504
6505 @cindex Tree traversal
6506 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6507 with other algebra systems or for producing code for different
6508 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6509
6510 @example
6511 static void my_print(const ex & e)
6512 @{
6513     if (is_a<function>(e))
6514         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6515     else
6516         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6517     cout << "(";
6518     size_t n = e.nops();
6519     if (n)
6520         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6521             my_print(e.op(i));
6522             if (i != n-1)
6523                 cout << ",";
6524         @}
6525     else
6526         cout << e;
6527     cout << ")";
6528 @}
6529
6530 int main()
6531 @{
6532     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6533     return 0;
6534 @}
6535 @end example
6536
6537 This will produce
6538
6539 @example
6540 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6541 symbol(y))),numeric(-2)))
6542 @end example
6543
6544 If you need an output format that makes it possible to accurately
6545 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6546 object factory, you should consider storing the expression in an
6547 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6548 See the section on archiving for more information.
6549
6550
6551 @subsection Expression input
6552 @cindex input of expressions
6553
6554 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6555 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6556 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6557 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6558 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6559
6560 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6561 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6562
6563 @example
6564 @{
6565     symbol x, y;
6566     symtab table;
6567     table["x"] = x;
6568     table["y"] = y;
6569     parser reader(table);
6570     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6571 @}
6572 @end example
6573
6574 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6575 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6576 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6577 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6578 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6579 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6580
6581 @example
6582 @{
6583     symbol x, y;
6584     symtab table;
6585     table["x"] = x+log(y)+1;
6586     parser reader(table);
6587     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6588     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6589 @}
6590 @end example
6591
6592 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6593 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6594 with @code{get_syms()} method:
6595
6596 @example
6597 @{
6598     parser reader;
6599     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6600     symtab table = reader.get_syms();
6601     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6602     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6603 @}
6604 @end example
6605
6606 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6607 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6608
6609 @example
6610 @{
6611         symtab table;
6612         table["x"] = symbol();
6613         parser reader(table);
6614         parser.strict = true;
6615         ex e;
6616         try @{
6617                 e = reader("2*x+sin(y)");
6618         @} catch (parse_error& err) @{
6619                 cerr << err.what() << endl;
6620                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6621         @}
6622 @}
6623 @end example
6624
6625 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6626 When running the following program interactively, remember to send an
6627 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6628
6629 @example
6630 #include <iostream>
6631 #include <string>
6632 #include <stdexcept>
6633 #include <ginac/ginac.h>
6634 using namespace std;
6635 using namespace GiNaC;
6636
6637 int main()
6638 @{
6639         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6640         parser reader;
6641
6642         try @{
6643                 ex e = reader(cin);
6644                 symtab table = reader.get_syms();
6645                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6646                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6647                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6648                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6649         @} catch (exception &p) @{
6650                 cerr << p.what() << endl;
6651         @}
6652 @}
6653 @end example
6654
6655 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6656 @cindex compiling expressions
6657
6658 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6659 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6660 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6661 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6662 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6663 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6664 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6665 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6666 the numerical evaluation into different execution stages.
6667
6668 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6669 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6670 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6671 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6672 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6673 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6674
6675 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6676
6677 @example
6678     // ...
6679     symbol x("x");
6680     ex myexpr = sin(x) / x;
6681
6682     FUNCP_1P fp;
6683     compile_ex(myexpr, x, fp);
6684
6685     cout << fp(3.2) << endl;
6686     // ...
6687 @end example
6688
6689 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6690 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6691 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6692 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6693
6694 @cindex FUNCP_1P
6695 @cindex FUNCP_2P
6696 @cindex FUNCP_CUBA
6697 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6698 pointer types at the moment:
6699
6700 @example
6701     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6702     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6703     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6704 @end example
6705
6706 @cindex CUBA library
6707 @cindex Monte Carlo integration
6708 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6709 the correct type to be used with the CUBA library
6710 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6711 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6712
6713 @cindex compile_ex
6714 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6715
6716 @example
6717     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6718                     const std::string filename = "");
6719     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6720                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6721     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6722                     const std::string filename = "");
6723 @end example
6724
6725 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6726 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6727 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6728 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6729 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6730 deleted.
6731
6732 @cindex link_ex
6733 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6734 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6735 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6736 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6737 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6738 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6739 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6740
6741 @example
6742     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6743     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6744     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6745 @end example
6746
6747 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6748 to be supplied.
6749
6750 The function
6751
6752 @cindex unlink_ex
6753 @example
6754     void unlink_ex(const std::string filename);
6755 @end example
6756
6757 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6758 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6759 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6760 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6761
6762 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6763 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6764 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6765 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6766 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6767 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6768 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6769 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6770
6771 @cindex ginac-excompiler
6772 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6773 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6774 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6775 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6776 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6777
6778 @example
6779 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6780 compile_ex(...);
6781 @end example
6782
6783 @subsection Archiving
6784 @cindex @code{archive} (class)
6785 @cindex archiving
6786
6787 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6788 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6789 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6790 expression a unique name:
6791
6792 @example
6793 #include <fstream>
6794 #include <ginac/ginac.h>
6795 using namespace std;
6796 using namespace GiNaC;
6797
6798 int main()
6799 @{
6800     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6801
6802     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6803     ex bar = foo + 1;
6804
6805     archive a;
6806     a.archive_ex(foo, "foo");
6807     a.archive_ex(bar, "the second one");
6808     // ...
6809 @end example
6810
6811 The archive can then be written to a file:
6812
6813 @example
6814     // ...
6815     ofstream out("foobar.gar", ios::binary);
6816     out << a;
6817     out.close();
6818     // ...
6819 @end example
6820
6821 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6822 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}. The flag
6823 @code{ios::binary} prevents locales setting of your OS tampers the
6824 archive file structure.
6825
6826 @cindex @command{viewgar}
6827 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6828 the contents of GiNaC archive files:
6829
6830 @example
6831 $ viewgar foobar.gar
6832 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6833 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6834 @end example
6835
6836 The point of writing archive files is of course that they can later be
6837 read in again:
6838
6839 @example
6840     // ...
6841     archive a2;
6842     ifstream in("foobar.gar", ios::binary);
6843     in >> a2;
6844     // ...
6845 @end example
6846
6847 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6848
6849 @example
6850     // ...
6851     lst syms = @{x, y@};
6852
6853     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6854     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6855
6856     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6857     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6858     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6859 @}
6860 @end example
6861
6862 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6863 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6864 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6865 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6866 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6867 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6868 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6869 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6870
6871 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6872 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6873 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6874 functions that let you access the stored properties:
6875
6876 @example
6877 static void my_print2(const archive_node & n)
6878 @{
6879     string class_name;
6880     n.find_string("class", class_name);
6881     cout << class_name << "(";
6882
6883     archive_node::propinfovector p;
6884     n.get_properties(p);
6885
6886     size_t num = p.size();
6887     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6888         const string &name = p[i].name;
6889         if (name == "class")
6890             continue;
6891         cout << name << "=";
6892
6893         unsigned count = p[i].count;
6894         if (count > 1)
6895             cout << "@{";
6896
6897         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6898             switch (p[i].type) @{
6899                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6900                     bool x;
6901                     n.find_bool(name, x, j);
6902                     cout << (x ? "true" : "false");
6903                     break;
6904                 @}
6905                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6906                     unsigned x;
6907                     n.find_unsigned(name, x, j);
6908                     cout << x;
6909                     break;
6910                 @}
6911                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6912                     string x;
6913                     n.find_string(name, x, j);
6914                     cout << '\"' << x << '\"';
6915                     break;
6916                 @}
6917                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6918                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6919                     my_print2(x);
6920                     break;
6921                 @}
6922             @}
6923
6924             if (j != count-1)
6925                 cout << ",";
6926         @}
6927
6928         if (count > 1)
6929             cout << "@}";
6930
6931         if (i != num-1)
6932             cout << ",";
6933     @}
6934
6935     cout << ")";
6936 @}
6937
6938 int main()
6939 @{
6940     ex e = pow(2, x) - y;
6941     archive ar(e, "e");
6942     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6943     return 0;
6944 @}
6945 @end example
6946
6947 This will produce:
6948
6949 @example
6950 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6951 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6952 overall_coeff=numeric(number="0"))
6953 @end example
6954
6955 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6956 class may change between GiNaC versions.
6957
6958
6959 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6960 @c    node-name, next, previous, up
6961 @chapter Extending GiNaC
6962
6963 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6964 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6965 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6966 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6967 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6968 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6969
6970 @menu
6971 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6972 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6973 * Printing::                         Adding new output formats.
6974 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6975 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6976 @end menu
6977
6978
6979 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6980 @c    node-name, next, previous, up
6981 @section What doesn't belong into GiNaC
6982
6983 @cindex @command{ginsh}
6984 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6985 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6986 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6987 language.  There are no loops or conditional expressions in
6988 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6989 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6990 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6991 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6992 the future.
6993
6994 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6995 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6996 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6997 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6998 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6999 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
7000 provided by CLN are much better suited.
7001
7002
7003 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
7004 @c    node-name, next, previous, up
7005 @section Symbolic functions
7006
7007 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
7008 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
7009 two preprocessor macros:
7010
7011 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
7012 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
7013 @example
7014 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
7015 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
7016 @end example
7017
7018 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
7019 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
7020 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
7021 @code{function} object that represents your function.
7022
7023 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
7024 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
7025 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
7026 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
7027 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
7028 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
7029 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
7030 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
7031
7032 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
7033 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
7034 done our best to avoid macros where we can.)
7035
7036 @subsection A minimal example
7037
7038 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
7039 that is not further evaluated:
7040
7041 @example
7042 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
7043
7044 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
7045 @end example
7046
7047 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
7048 in algebraic expressions:
7049
7050 @example
7051 @{
7052     ...
7053     symbol x("x");
7054     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
7055     cout << e << endl;
7056      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
7057     ...
7058 @}
7059 @end example
7060
7061 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
7062 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
7063 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
7064 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
7065
7066 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
7067 example of how to make an "intelligent" function.
7068
7069 @subsection The cosine function
7070
7071 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7072
7073 @example
7074 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7075 @end example
7076
7077 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7078 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7079 this function in expressions.
7080
7081 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7082 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7083
7084 @example
7085 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7086                        evalf_func(cos_evalf).
7087                        derivative_func(cos_deriv).
7088                        latex_name("\\cos"));
7089 @end example
7090
7091 There are four options defined for the cosine function. One of them
7092 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7093 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7094 function are defined.
7095
7096 @cindex @code{hold()}
7097 @cindex evaluation
7098 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7099 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7100 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7101 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7102 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7103 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7104 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7105 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7106 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7107 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7108 somewhere.
7109
7110 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7111 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7112 what is going on):
7113
7114 @example
7115 static ex cos_eval(const ex & x)
7116 @{
7117     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7118         return 1;
7119     else if ("x is a multiple of Pi")
7120         return -1;
7121     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7122         return 0;
7123     // more rules...
7124
7125     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7126         return y;
7127     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7128         return sqrt(1-y^2);
7129     // more rules...
7130
7131     else
7132         return cos(x).hold();
7133 @}
7134 @end example
7135
7136 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7137
7138 @example
7139 @{
7140     ...
7141     e = cos(Pi);
7142      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7143      // the actual expression
7144     cout << e << endl;
7145      // prints '-1'
7146     ...
7147 @}
7148 @end example
7149
7150 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7151 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7152 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7153 with @code{.hold()}.
7154
7155 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7156 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7157 different function:
7158
7159 @example
7160 static ex cos_evalf(const ex & x)
7161 @{
7162     if (is_a<numeric>(x))
7163         return cos(ex_to<numeric>(x));
7164     else
7165         return cos(x).hold();
7166 @}
7167 @end example
7168
7169 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7170 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7171 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7172 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7173 function would require it in this place.
7174
7175 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7176 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7177 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7178 @code{ex::diff}):
7179
7180 @example
7181 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7182 @{
7183     return -sin(x);
7184 @}
7185 @end example
7186
7187 @cindex product rule
7188 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7189 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7190 case the function has more than one parameter, and its main application
7191 is for correct handling of the chain rule.
7192
7193 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7194 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7195 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7196
7197 @example
7198 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7199 @{
7200         return Order(arg.diff(s));
7201 @}
7202 @end example
7203
7204 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7205 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7206 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7207 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7208 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7209 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7210 @code{derivative_func}. 
7211
7212 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7213 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7214 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7215 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7216
7217 @example
7218 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7219                      int order, unsigned options)
7220 @{
7221     // Find the actual expansion point
7222     const ex x_pt = x.subs(rel);
7223
7224     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7225         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7226
7227     // On a pole, expand sin()/cos()
7228     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7229 @}
7230 @end example
7231
7232 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7233 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7234
7235 @subsection Function options
7236
7237 GiNaC functions understand several more options which are always
7238 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7239 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7240 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7241 functions without any special options.
7242
7243 @example
7244 eval_func(<C++ function>)
7245 evalf_func(<C++ function>)
7246 derivative_func(<C++ function>)
7247 expl_derivative_func(<C++ function>)
7248 series_func(<C++ function>)
7249 conjugate_func(<C++ function>)
7250 @end example
7251
7252 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7253 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7254 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7255 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7256
7257 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7258 automatic evaluation is desired or possible.
7259
7260 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7261 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7262 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7263 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7264 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7265 suitable transformation.
7266
7267 @example
7268 latex_name(const string & n)
7269 @end example
7270
7271 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7272 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7273
7274 @example
7275 do_not_evalf_params()
7276 @end example
7277
7278 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7279 function before calling the @code{evalf_func()}.
7280
7281 @example
7282 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7283 @end example
7284
7285 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7286 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7287 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7288 @code{return_type_t} created like
7289
7290 @example
7291 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7292 @end example
7293
7294 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7295 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7296 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7297 @code{make_return_type_t<>()} 
7298
7299 @example
7300 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7301 @end example
7302
7303 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7304 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7305 details).
7306
7307 @example
7308 set_symmetry(const symmetry & s)
7309 @end example
7310
7311 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7312 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7313 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7314 symmetric functions into a canonical order.
7315
7316 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7317 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7318 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7319 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7320 with the
7321
7322 @example
7323 print_func<C>(<C++ function>)
7324 @end example
7325
7326 option which is explained in the next section.
7327
7328 @subsection Functions with a variable number of arguments
7329
7330 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7331 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7332 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7333 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7334 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7335
7336 It is also possible to define functions that accept a different number of
7337 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7338 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7339 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7340 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7341 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7342 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7343 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7344 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7345
7346
7347 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7348 @c    node-name, next, previous, up
7349 @section GiNaC's expression output system
7350
7351 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7352 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7353 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7354 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7355 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7356 functions.
7357
7358 @cindex @code{print_context} (class)
7359 @cindex @code{print_dflt} (class)
7360 @cindex @code{print_latex} (class)
7361 @cindex @code{print_tree} (class)
7362 @cindex @code{print_csrc} (class)
7363 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7364 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7365 header file:
7366
7367 @table @code
7368 @item print_dflt
7369 the default output format
7370 @item print_latex
7371 output in LaTeX mathematical mode
7372 @item print_tree
7373 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7374 @item print_csrc
7375 the base class for C source output
7376 @item print_csrc_float
7377 C source output using the @code{float} type
7378 @item print_csrc_double
7379 C source output using the @code{double} type
7380 @item print_csrc_cl_N
7381 C source output using CLN types
7382 @end table
7383
7384 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7385
7386 @example
7387 class print_context
7388 @{
7389     ...
7390 public:
7391     std::ostream & s;
7392     unsigned options;
7393 @};
7394 @end example
7395
7396 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7397 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7398 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7399 to print the index dimension which is normally hidden.
7400
7401 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7402 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7403 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7404 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7405
7406 @cindex @code{print()}
7407 @example
7408 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7409 @end example
7410
7411 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7412 top-level algebraic object contained in the expression.
7413
7414 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7415 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7416 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7417 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7418 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7419 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7420 (single) virtual function dispatch.
7421
7422 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7423 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7424 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7425 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7426 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7427 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7428 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7429 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7430 object's class name enclosed in square brackets).
7431
7432 You can think of the print methods of all the different classes and output
7433 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7434 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7435 classes.
7436
7437 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7438 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7439 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7440 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7441 methods at run-time).
7442
7443 @subsection Print methods for classes
7444
7445 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7446 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7447 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7448 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7449 can also be used to override existing methods dynamically.
7450
7451 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7452 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7453 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7454 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7455 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7456 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7457 the class is the one being implemented by
7458 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7459
7460 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7461 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7462 @code{unsigned}.
7463
7464 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7465 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7466 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7467 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7468 private and protected members of @code{T}.
7469
7470 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7471 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7472 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7473 purposes if you write your own output formats.
7474
7475 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7476 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7477 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7478 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7479
7480 @example
7481 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7482                              const print_latex & c,
7483                              unsigned level)
7484 @{
7485     // get the precedence of the 'power' class
7486     unsigned power_prec = p.precedence();
7487
7488     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7489     // we need parentheses around the power
7490     if (level >= power_prec)
7491         c.s << '(';
7492
7493     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7494     // separated by an uparrow
7495     c.s << '@{';
7496     p.op(0).print(c, power_prec);
7497     c.s << "@}\\uparrow@{";
7498     p.op(1).print(c, power_prec);
7499     c.s << '@}';
7500
7501     // don't forget the closing parenthesis
7502     if (level >= power_prec)
7503         c.s << ')';
7504 @}
7505                                                                                 
7506 int main()
7507 @{
7508     // a sample expression
7509     symbol x("x"), y("y");
7510     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7511
7512     // switch to LaTeX mode
7513     cout << latex;
7514
7515     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7516     cout << e << endl;
7517
7518     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7519     // our own one
7520     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7521
7522     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7523     //              \uparrow@{2@}@}"
7524     cout << e << endl;
7525 @}
7526 @end example
7527
7528 Some notes:
7529
7530 @itemize
7531
7532 @item
7533 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7534 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7535
7536 @item
7537 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7538 @code{power} objects for the purpose of printing.
7539
7540 @item
7541 The output of products including negative powers as fractions is also
7542 controlled by the @code{mul} class.
7543
7544 @item
7545 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7546 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7547
7548 @end itemize
7549
7550 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7551 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7552 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7553 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7554 sources, find the method that is installed at startup
7555 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7556 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7557
7558 @subsection Print methods for functions
7559
7560 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7561 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7562 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7563 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7564 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7565
7566 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7567
7568 @example
7569 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7570 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7571                                                                                 
7572 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7573 @{
7574     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7575 @}
7576                                                                                 
7577 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7578 @{
7579     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7580 @}
7581                                                                                 
7582 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7583                        evalf_func(abs_evalf).
7584                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7585                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7586                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7587 @end example
7588
7589 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7590 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7591
7592 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7593
7594 @subsection Adding new output formats
7595
7596 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7597 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7598 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7599 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7600 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7601 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7602 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7603 options value.
7604
7605 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7606
7607 @example
7608 class print_myformat : public print_dflt
7609 @{
7610     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7611 public:
7612     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7613      : print_dflt(os, opt) @{@}
7614 @};
7615
7616 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7617
7618 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7619 @end example
7620
7621 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7622 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7623 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7624 format are implemented as print methods, as described above.
7625
7626 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7627 exactly like GiNaC's default output format:
7628
7629 @example
7630 @{
7631     symbol x("x");
7632     ex e = pow(x, 2) + 1;
7633
7634     // this prints "1+x^2"
7635     cout << e << endl;
7636     
7637     // this also prints "1+x^2"
7638     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7639
7640     ...
7641 @}
7642 @end example
7643
7644 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7645 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7646
7647 @example
7648 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7649 // example above for explanations.
7650 void print_power_as_myformat(const power & p,
7651                              const print_myformat & c,
7652                              unsigned level)
7653 @{
7654     unsigned power_prec = p.precedence();
7655     if (level >= power_prec)
7656         c.s << '(';
7657     p.op(0).print(c, power_prec);
7658     c.s << "**";
7659     p.op(1).print(c, power_prec);
7660     if (level >= power_prec)
7661         c.s << ')';
7662 @}
7663
7664 @{
7665     ...
7666     // install a new print method for power objects
7667     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7668
7669     // now this prints "1+x**2"
7670     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7671
7672     // but the default format is still "1+x^2"
7673     cout << e << endl;
7674 @}
7675 @end example
7676
7677
7678 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7679 @c    node-name, next, previous, up
7680 @section Structures
7681
7682 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7683 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7684 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7685 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7686 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7687
7688 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7689 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7690 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7691 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7692 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7693 read both sections because many common concepts and member functions are
7694 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7695 is most suited to your needs.
7696
7697 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7698 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7699 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7700
7701 @subsection Example: scalar products
7702
7703 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7704 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7705 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7706 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7707 product in a C++ @code{struct}:
7708
7709 @example
7710 #include <iostream>
7711 #include <ginac/ginac.h>
7712 using namespace std;
7713 using namespace GiNaC;
7714
7715 struct sprod_s @{
7716     ex left, right;
7717
7718     sprod_s() @{@}
7719     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7720 @};
7721 @end example
7722
7723 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7724 data structure, we need only one line:
7725
7726 @example
7727 typedef structure<sprod_s> sprod;
7728 @end example
7729
7730 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7731 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7732 expressions like any other GiNaC class:
7733
7734 @example
7735 ...
7736     symbol a("a"), b("b");
7737     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7738 ...
7739 @end example
7740
7741 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7742 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7743 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7744 constructed from an @code{sprod_s} object.
7745
7746 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7747 you could define a little wrapper function like this:
7748
7749 @example
7750 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7751 @{
7752     return sprod(sprod_s(left, right));
7753 @}
7754 @end example
7755
7756 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7757 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7758 @code{get_struct()}:
7759
7760 @example
7761 ...
7762     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7763      // -> a
7764     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7765      // -> b
7766 ...
7767 @end example
7768
7769 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7770
7771 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7772 that deal with scalar products, for example:
7773
7774 @example
7775 ex swap_sprod(ex p)
7776 @{
7777     if (is_a<sprod>(p)) @{
7778         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7779         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7780     @} else
7781         return p;
7782 @}
7783
7784 ...
7785     f = swap_sprod(e);
7786      // f is now <b|a>
7787 ...
7788 @end example
7789
7790 @subsection Structure output
7791
7792 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7793 desired, most notably proper output:
7794
7795 @example
7796 ...
7797     cout << e << endl;
7798      // -> [structure object]
7799 ...
7800 @end example
7801
7802 By default, any structure types you define will be printed as
7803 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7804 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7805 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7806 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7807 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7808 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7809
7810 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7811 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7812
7813 @example
7814 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7815 @{
7816     // tree debug output handled by superclass
7817     if (is_a<print_tree>(c))
7818         inherited::print(c, level);
7819
7820     // get the contained sprod_s object
7821     const sprod_s & sp = get_struct();
7822
7823     // print_context::s is a reference to an ostream
7824     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7825 @}
7826 @end example
7827
7828 Now we can print expressions containing scalar products:
7829
7830 @example
7831 ...
7832     cout << e << endl;
7833      // -> <a|b>
7834     cout << swap_sprod(e) << endl;
7835      // -> <b|a>
7836 ...
7837 @end example
7838
7839 @subsection Comparing structures
7840
7841 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7842 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7843 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7844 and undesired behavior:
7845
7846 @example
7847 ...
7848     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7849      // -> 0
7850     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7851      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7852 ...
7853 @end example
7854
7855 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7856 for objects of type @code{sprod_s}:
7857
7858 @example
7859 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7860 @{
7861     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7862 @}
7863
7864 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7865 @{
7866     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7867            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7868 @}
7869 @end example
7870
7871 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7872 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7873 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7874 in the implementation of these operators because they would construct
7875 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7876 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7877 decide which one is algebraically 'less').
7878
7879 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7880 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7881
7882 @example
7883 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7884 @end example
7885
7886 @code{sprod} objects then behave as expected:
7887
7888 @example
7889 ...
7890     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7891      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7892     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7893      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7894     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7895      // -> 0
7896     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7897      // -> 2*<a|b>
7898 ...
7899 @end example
7900
7901 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7902 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7903 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7904 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7905 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7906 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7907
7908 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7909 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7910 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7911 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7912 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7913 undefined value) that the @code{T} class might have.
7914
7915 @subsection Subexpressions
7916
7917 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7918 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7919 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7920
7921 @example
7922 size_t sprod::nops() const
7923 @{
7924     return 2;
7925 @}
7926
7927 ex sprod::op(size_t i) const
7928 @{
7929     switch (i) @{
7930     case 0:
7931         return get_struct().left;
7932     case 1:
7933         return get_struct().right;
7934     default:
7935         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7936     @}
7937 @}
7938 @end example
7939
7940 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7941 @code{sprod} has two other nice side effects:
7942
7943 @itemize @bullet
7944 @item
7945 @code{has()} works as expected
7946 @item
7947 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7948 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7949 @end itemize
7950
7951 @cindex @code{let_op()}
7952 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7953 allows replacing subexpressions:
7954
7955 @example
7956 ex & sprod::let_op(size_t i)
7957 @{
7958     // every non-const member function must call this
7959     ensure_if_modifiable();
7960
7961     switch (i) @{
7962     case 0:
7963         return get_struct().left;
7964     case 1:
7965         return get_struct().right;
7966     default:
7967         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7968     @}
7969 @}
7970 @end example
7971
7972 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7973 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7974 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7975 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7976
7977 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7978 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7979 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7980 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7981 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7982 This is left as an exercise for the reader.
7983
7984 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7985 you can override by specialization to customize the behavior of your
7986 structures. You are referred to the next section for a description of
7987 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7988 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7989 @code{structure<T>} template: archiving.
7990
7991 @subsection Archiving structures
7992
7993 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7994 should first read the next section and then come back here. You're back?
7995 Good.
7996
7997 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7998 specializations for the @code{archive()} member function and the
7999 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
8000 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
8001 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
8002 the class of an object is stored as a string, the class name.
8003
8004 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
8005 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
8006 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
8007 need to provide a different name for each by specializing the
8008 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
8009 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
8010
8011 @example
8012 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
8013
8014 void sprod::archive(archive_node & n) const
8015 @{
8016     inherited::archive(n);
8017     n.add_ex("left", get_struct().left);
8018     n.add_ex("right", get_struct().right);
8019 @}
8020
8021 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
8022 @{
8023     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
8024     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
8025 @}
8026 @end example
8027
8028 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
8029 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
8030 @code{sprod::unarchive()} function.
8031
8032
8033 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
8034 @c    node-name, next, previous, up
8035 @section Adding classes
8036
8037 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
8038 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
8039 severe of which being that you can't add any new member functions to
8040 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
8041 from scratch.
8042
8043 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
8044 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
8045 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
8046 required member functions are that you have to implement. We only cover the
8047 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
8048 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
8049 representing tensor products is more involved but this section should give
8050 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
8051 classes if you want to implement something more complicated.
8052
8053 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
8054
8055 @cindex hierarchy of classes
8056 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
8057 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
8058 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
8059 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
8060 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
8061 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
8062 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
8063 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
8064 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
8065 in @file{registrar.h}):
8066 @itemize @bullet
8067 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
8068 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
8069 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8070 @end itemize
8071
8072 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8073 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8074 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8075 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8076 the opening brace of the class definition.
8077
8078 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8079 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8080 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8081 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8082 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8083
8084 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8085 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8086 options, such as custom printing functions.
8087
8088 @subsection A minimalistic example
8089
8090 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8091 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8092 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8093 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8094 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8095 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8096
8097 The code snippets given here assume that you have included some header files
8098 as follows:
8099
8100 @example
8101 #include <iostream>
8102 #include <string>   
8103 #include <stdexcept>
8104 #include <ginac/ginac.h>
8105 using namespace std;
8106 using namespace GiNaC;
8107 @end example
8108
8109 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8110 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8111 object from a string:
8112
8113 @example
8114 class mystring : public basic
8115 @{
8116     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8117   
8118 public:
8119     mystring(const string & s);
8120
8121 private:
8122     string str;
8123 @};
8124
8125 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8126 @end example
8127
8128 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8129 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8130 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8131 of a class so that printing and (un)archiving works.
8132
8133 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8134 class:
8135
8136 @itemize
8137
8138 @item
8139 @code{mystring()}, the default constructor.
8140
8141 @item
8142 @cindex @code{compare_same_type()}
8143 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8144 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8145 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8146 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8147 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8148 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8149 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8150 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8151 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8152 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8153 defined.
8154
8155 @item
8156 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8157 we declared.
8158
8159 @end itemize
8160
8161 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8162
8163 @example
8164 mystring::mystring() @{ @}
8165 @end example
8166
8167 In the default constructor you should set all other member variables to
8168 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8169 member gets set to an empty string automatically).
8170
8171 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8172 the string members:
8173
8174 @example
8175 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8176 @{
8177     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8178     int cmpval = str.compare(o.str);
8179     if (cmpval == 0)
8180         return 0;
8181     else if (cmpval < 0)
8182         return -1;
8183     else
8184         return 1;
8185 @}
8186 @end example
8187
8188 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8189 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8190 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8191 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8192 all relevant member variables.
8193
8194 Now the only thing missing is our constructor:
8195
8196 @example
8197 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8198 @end example
8199
8200 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8201
8202 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8203 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8204
8205 @example
8206 ex e = mystring("Hello, world!");
8207 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8208  // -> 1 (true)
8209
8210 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8211  // -> mystring
8212 @end example
8213
8214 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8215
8216 @example
8217 cout << e << endl;
8218  // -> [mystring object]
8219 @end example
8220
8221 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8222 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8223 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8224 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8225 surrounded by double quotes:
8226
8227 @example
8228 class mystring : public basic
8229 @{
8230     ...
8231 protected:
8232     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8233     ...
8234 @};
8235
8236 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8237 @{
8238     // print_context::s is a reference to an ostream
8239     c.s << '\"' << str << '\"';
8240 @}
8241 @end example
8242
8243 The @code{level} argument is only required for container classes to
8244 correctly parenthesize the output.
8245
8246 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8247 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8248 replace the line
8249
8250 @example
8251 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8252 @end example
8253
8254 with
8255
8256 @example
8257 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8258   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8259 @end example
8260
8261 Let's try again to print the expression:
8262
8263 @example
8264 cout << e << endl;
8265  // -> "Hello, world!"
8266 @end example
8267
8268 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8269 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8270 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8271 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8272 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8273 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8274 way expression output is implemented in GiNaC.
8275
8276 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8277
8278 @example
8279 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8280 cout << e << endl;
8281  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8282 @end example
8283
8284 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8285
8286 @example
8287 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8288 cout << e << endl;
8289  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8290 @end example
8291
8292 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8293 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8294 for your objects.
8295
8296 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8297
8298 @example
8299 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8300 cout << e << endl;
8301  // -> "Wow"^2
8302
8303 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8304 cout << e.expand() << endl;
8305  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8306 @end example
8307
8308 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8309 concatenation. You would have to implement this yourself.
8310
8311 @subsection Automatic evaluation
8312
8313 @cindex evaluation
8314 @cindex @code{eval()}
8315 @cindex @code{hold()}
8316 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8317 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8318 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8319 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8320 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8321 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8322
8323 @example
8324 class mystring : public basic
8325 @{
8326     ...
8327 public:
8328     ex eval() const override;
8329     ...
8330 @};
8331
8332 ex mystring::eval() const
8333 @{
8334     string new_str;
8335     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8336         char c = str[i];
8337         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8338             new_str += tolower(c);
8339         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8340             new_str += c;
8341     @}
8342
8343     if (new_str.length() == 0)
8344         return 0;
8345
8346     return mystring(new_str).hold();
8347 @}
8348 @end example
8349
8350 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8351 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8352 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8353
8354 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8355 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8356 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8357 with this.
8358
8359 Let's confirm that it works:
8360
8361 @example
8362 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8363 cout << e << endl;
8364  // -> "helloworld"
8365
8366 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8367 cout << e << endl;
8368  // -> 3*"wow"
8369 @end example
8370
8371 @subsection Optional member functions
8372
8373 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8374 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8375 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8376
8377 @cindex @code{calchash()}
8378 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8379 @example
8380 unsigned calchash() const override;
8381 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8382 @end example
8383
8384 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8385 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8386 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8387 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8388 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8389 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8390
8391 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8392 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8393 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8394 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8395
8396 @subsection Other member functions
8397
8398 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8399 might want to provide:
8400
8401 @example
8402 bool info(unsigned inf) const override;
8403 ex evalf() const override;
8404 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8405 ex derivative(const symbol & s) const override;
8406 @end example
8407
8408 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8409 previous section) you will probably want to override
8410
8411 @cindex @code{let_op()}
8412 @example
8413 size_t nops() const override;
8414 ex op(size_t i) const override;
8415 ex & let_op(size_t i) override;
8416 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8417 ex map(map_function & f) const override;
8418 @end example
8419
8420 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8421 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8422 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8423
8424 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8425 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8426 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8427 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8428 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8429 should become a need.
8430
8431 That's it. May the source be with you!
8432
8433 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8434
8435 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8436 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8437 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8438
8439 @example
8440 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8441 @end example
8442
8443 needs to be rewritten as
8444
8445 @example
8446 myclass::myclass() @{@}
8447 @end example
8448
8449 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8450 @c    node-name, next, previous, up
8451 @chapter A Comparison With Other CAS
8452 @cindex advocacy
8453
8454 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8455 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8456 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8457 disadvantages over these systems.
8458
8459 @menu
8460 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8461 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8462 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8463 @end menu
8464
8465 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8466 @c    node-name, next, previous, up
8467 @section Advantages
8468
8469 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8470 Algebra Systems, like 
8471
8472 @itemize @bullet
8473
8474 @item
8475 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8476 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8477 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8478 in common C++, which is standardized.
8479
8480 @cindex STL
8481 @item
8482 structured data types: you can build up structured data types using
8483 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8484 using unnamed lists of lists of lists.
8485
8486 @item
8487 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8488 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8489 nice for novice programmers, but dangerous.
8490     
8491 @item
8492 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8493 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8494 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8495
8496 @item
8497 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8498 separating interface and implementation.
8499
8500 @item
8501 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8502 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8503 C++-compilers for free, too.
8504     
8505 @item
8506 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8507 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8508 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8509 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8510 fix bugs in a traditional system.
8511
8512 @item
8513 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8514 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8515 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8516 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8517 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8518 all, of GiNaC's types to a command line.
8519
8520 @item
8521 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8522 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8523 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8524 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8525 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8526 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8527 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8528 system (i.e. @emph{Yacas}).
8529
8530 @item
8531 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8532 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8533 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8534 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8535 speed with other CAS.
8536
8537 @end itemize
8538
8539
8540 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8541 @c    node-name, next, previous, up
8542 @section Disadvantages
8543
8544 Of course it also has some disadvantages:
8545
8546 @itemize @bullet
8547
8548 @item
8549 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8550 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8551 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8552 respect to mathematical features.  Integration, 
8553 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8554 not planned for the near future).
8555
8556 @item
8557 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8558 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8559 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8560 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8561 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8562 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8563 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8564 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8565 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8566 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8567 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8568 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8569 literally.
8570     
8571 @end itemize
8572
8573
8574 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8575 @c    node-name, next, previous, up
8576 @section Why C++?
8577
8578 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8579 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8580 possible), separation between interface and implementation is not
8581 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8582 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8583 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8584 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8585 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8586 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8587 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8588 any other programming language.
8589
8590
8591 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8592 @c    node-name, next, previous, up
8593 @appendix Internal structures
8594
8595 @menu
8596 * Expressions are reference counted::
8597 * Internal representation of products and sums::
8598 @end menu
8599
8600 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8601 @c    node-name, next, previous, up
8602 @appendixsection Expressions are reference counted
8603
8604 @cindex reference counting
8605 @cindex copy-on-write
8606 @cindex garbage collection
8607 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8608 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8609 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8610 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8611 skip the rest of this passage.
8612
8613 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8614 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8615 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8616 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8617 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8618 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8619 of code:
8620
8621 @example
8622 #include <iostream>
8623 #include <ginac/ginac.h>
8624 using namespace std;
8625 using namespace GiNaC;
8626
8627 int main()
8628 @{
8629     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8630     ex e1, e2;
8631
8632     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8633     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8634     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8635     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8636     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8637 @}
8638 @end example
8639
8640 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8641 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8642 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8643 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8644 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8645 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8646 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8647 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8648 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8649 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8650 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8651 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8652 can be:
8653
8654 @example
8655 @{
8656     symbol x("x"), y("y");
8657
8658     ex e1 = x + 3*y;
8659     ex e2 = pow(e1, 3);
8660     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8661     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8662          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8663          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8664 @}
8665 @end example
8666
8667 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8668 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8669 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8670 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8671 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8672 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8673 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8674 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8675 @code{3*e1^2}.
8676
8677 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8678 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8679 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8680 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8681 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8682 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8683 semantics, we recommend you have a look at the
8684 @uref{https://isocpp.org/faq, C++-FAQ's} chapter on memory management.
8685 It covers this issue and presents an implementation which is pretty
8686 close to the one in GiNaC.
8687
8688
8689 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8690 @c    node-name, next, previous, up
8691 @appendixsection Internal representation of products and sums
8692
8693 @cindex representation
8694 @cindex @code{add}
8695 @cindex @code{mul}
8696 @cindex @code{power}
8697 Although it should be completely transparent for the user of
8698 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8699 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8700 unexpanded symbolic expression 
8701 @tex
8702 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8703 @end tex
8704 @ifnottex
8705 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8706 @end ifnottex
8707 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8708 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8709 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8710 fashion:
8711
8712 @ifnotinfo
8713 @image{repnaive}
8714 @end ifnotinfo
8715 @ifinfo
8716 <PICTURE MISSING>
8717 @end ifinfo
8718
8719 @cindex pair-wise representation
8720 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8721 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8722 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8723 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8724 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8725 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8726 becomes much more flat:
8727
8728 @ifnotinfo
8729 @image{reppair}
8730 @end ifnotinfo
8731 @ifinfo
8732 <PICTURE MISSING>
8733 @end ifinfo
8734
8735 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8736 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8737 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8738 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8739 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8740 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8741 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8742 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8743 representation, however, since they are still carrying a trivial
8744 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8745 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8746 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8747 representation for
8748 @tex
8749 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8750 @end tex
8751 @ifnottex
8752 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8753 @end ifnottex
8754
8755 @ifnotinfo
8756 @image{repreal}
8757 @end ifnotinfo
8758 @ifinfo
8759 <PICTURE MISSING>
8760 @end ifinfo
8761
8762 @cindex radical
8763 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8764 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8765 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8766 same abstract class: the data representation is the same, only the
8767 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8768 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8769 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8770
8771
8772 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8773 @c    node-name, next, previous, up
8774 @appendix Package tools
8775
8776 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8777 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8778 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8779 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8780 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8781 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8782 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8783 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8784 @example
8785 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8786 @end example
8787
8788 This command line might expand to (for example):
8789 @example
8790 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8791 @end example
8792
8793 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8794 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8795
8796 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8797 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8798 checking for libraries
8799
8800 @example
8801 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8802                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8803                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8804 @end example
8805
8806 This macro:
8807
8808 @itemize @bullet
8809
8810 @item
8811 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8812 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8813 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8814
8815 @item
8816 Tests the installed libraries to make sure that their version
8817 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8818
8819 @item
8820 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8821 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8822 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8823 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8824 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8825
8826 @item
8827 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8828
8829 @end itemize
8830
8831 @menu
8832 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8833 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8834 @end menu
8835
8836
8837 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8838 @c    node-name, next, previous, up
8839 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8840
8841 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8842 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8843 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8844 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8845 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8846
8847 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8848 system.
8849
8850 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8851 the linkers where to find the library one should
8852
8853 @itemize @bullet
8854 @item
8855 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8856 @example
8857 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8858 # ldconfig
8859 @end example
8860
8861 @item
8862 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8863 @example
8864 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8865 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8866 @end example
8867
8868 @item
8869 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8870 for instance:
8871
8872 @example
8873 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8874 @end example
8875 @end itemize
8876
8877 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8878 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8879 @example
8880 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8881 @end example
8882
8883 Finally, run the @command{configure} script
8884 @example
8885 $ ./configure 
8886 @end example
8887
8888 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8889
8890 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8891 @c    node-name, next, previous, up
8892 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8893
8894 The following shows how to build a simple package using automake
8895 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8896
8897 @example
8898 #include <iostream>
8899 #include <ginac/ginac.h>
8900
8901 int main()
8902 @{
8903     GiNaC::symbol x("x");
8904     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8905     std::cout << "Derivative of " << a 
8906               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8907     return 0;
8908 @}
8909 @end example
8910
8911 You should first read the introductory portions of the automake
8912 Manual, if you are not already familiar with it.
8913
8914 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8915 configure script:
8916
8917 @example
8918 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8919 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8920 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8921 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8922
8923 AC_PROG_CXX
8924 AC_PROG_INSTALL
8925 AC_LANG([C++])
8926
8927 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8928
8929 AC_OUTPUT(Makefile)
8930 @end example
8931
8932 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8933 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8934 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8935 @example
8936 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8937
8938 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8939
8940 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8941 installed software in a non-standard prefix.
8942
8943 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8944 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8945 See the pkg-config man page for more details.
8946 @end example
8947
8948 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8949
8950 @example
8951 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8952 bin_PROGRAMS = simple
8953 simple_SOURCES = simple.cpp
8954 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8955 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8956 @end example
8957
8958 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8959 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8960 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8961 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8962 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8963 basis.
8964
8965 To try this example out, create a new directory and add the three
8966 files above to it.
8967
8968 Now execute the following command:
8969
8970 @example
8971 $ autoreconf -i
8972 @end example
8973
8974 You now have a package that can be built in the normal fashion
8975
8976 @example
8977 $ ./configure
8978 $ make
8979 $ make install
8980 @end example
8981
8982
8983 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8984 @c    node-name, next, previous, up
8985 @appendix Bibliography
8986
8987 @itemize @minus{}
8988
8989 @item
8990 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
8991
8992 @item
8993 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8994
8995 @item
8996 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8997
8998 @item
8999 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
9000
9001 @item
9002 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
9003 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
9004
9005 @item
9006 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
9007 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
9008 Academic Press, London
9009
9010 @item
9011 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
9012 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
9013
9014 @item
9015 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
9016 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
9017
9018 @item
9019 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
9020 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
9021
9022 @item
9023 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
9024
9025 @end itemize
9026
9027
9028 @node Concept index, , Bibliography, Top
9029 @c    node-name, next, previous, up
9030 @unnumbered Concept index
9031
9032 @printindex cp
9033
9034 @bye