]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Replaced GiNaC Group names by web address.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2006 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author @uref{http://www.ginac.de}
51
52 @page
53 @vskip 0pt plus 1filll
54 Copyright @copyright{} 1999-2006 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
55 @sp 2
56 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
57 this manual provided the copyright notice and this permission notice
58 are preserved on all copies.
59
60 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
61 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
62 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
63 notice identical to this one.
64 @end titlepage
65
66 @page
67 @contents
68
69 @page
70
71
72 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
73 @c    node-name, next, previous, up
74 @top GiNaC
75
76 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
77 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
78
79 @menu
80 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
81 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
82 * Installation::                 How to install the package.
83 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
84 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
85 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
86 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
87 * Internal structures::          Description of some internal structures.
88 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
89 * Bibliography::
90 * Concept index::
91 @end menu
92
93
94 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
95 @c    node-name, next, previous, up
96 @chapter Introduction
97 @cindex history of GiNaC
98
99 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
100 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
101 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
102 learning math and solving particular problems they lack modern
103 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
104 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
105 well established and standardized computer language (C++) by some
106 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
107 that embed symbolic manipulations together with more established areas
108 of computer science (like computation-intense numeric applications,
109 graphical interfaces, etc.) under one roof.
110
111 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
112 still a very active field of research, namely the calculation of higher
113 order corrections to elementary particle interactions.  There,
114 theoretical physicists are interested in matching present day theories
115 against experiments taking place at particle accelerators.  The
116 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
117 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
118 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
119 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
120 are in no way restricted to theoretical physics.
121
122 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
123 already has some background in C++ programming.  However, since a
124 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
125 the development, the actual documentation is inside the sources in the
126 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
127 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
128 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
129 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
130 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
131 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
132 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
133 the near future.
134
135 @section License
136 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
137 language is Copyright @copyright{} 1999-2006 Johannes Gutenberg
138 University Mainz, Germany.
139
140 This program is free software; you can redistribute it and/or
141 modify it under the terms of the GNU General Public License as
142 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
143 License, or (at your option) any later version.
144
145 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
146 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
147 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
148 General Public License for more details.
149
150 You should have received a copy of the GNU General Public License
151 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
152 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
153 MA 02110-1301, USA.
154
155
156 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
157 @c    node-name, next, previous, up
158 @chapter A Tour of GiNaC
159
160 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
161 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
162 leaves many open questions.
163
164 @menu
165 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
166 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
167 @end menu
168
169
170 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
171 @c    node-name, next, previous, up
172 @section How to use it from within C++
173
174 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
175 language does not try to define a language of its own as conventional
176 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
177 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
178 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
179
180 @example
181 #include <iostream>
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace std;
184 using namespace GiNaC;
185
186 int main()
187 @{
188     symbol x("x"), y("y");
189     ex poly;
190
191     for (int i=0; i<3; ++i)
192         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
193
194     cout << poly << endl;
195     return 0;
196 @}
197 @end example
198
199 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
200 and run it like this:
201
202 @example
203 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
204 $ ./hello
205 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
206 @end example
207
208 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
209 package that uses GiNaC.)
210
211 @cindex Hermite polynomial
212 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
213 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
214
215 @example
216 #include <iostream>
217 #include <ginac/ginac.h>
218 using namespace std;
219 using namespace GiNaC;
220
221 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
222 @{
223     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
224     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
225     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
226 @}
227
228 int main()
229 @{
230     symbol z("z");
231
232     for (int i=0; i<6; ++i)
233         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
234
235     return 0;
236 @}
237 @end example
238
239 When run, this will type out
240
241 @example
242 H_0(z) == 1
243 H_1(z) == 2*z
244 H_2(z) == 4*z^2-2
245 H_3(z) == -12*z+8*z^3
246 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
247 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
248 @end example
249
250 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
251 for production purposes.
252
253 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
254 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
255 convenient window into GiNaC's capabilities.
256
257
258 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
259 @c    node-name, next, previous, up
260 @section What it can do for you
261
262 @cindex @command{ginsh}
263 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
264 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
265 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
266 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
267 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
268 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
269 @code{==} compares.
270
271 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
272 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
273 integers:
274
275 @example
276 > x=3^150;
277 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
278 > y=3^149;
279 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
280 > x/y;
281 3
282 > y/x;
283 1/3
284 @end example
285
286 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
287 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
288 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
289 can be expanded:
290
291 @example
292 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
293 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
294 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
295 10-5*3^(3/5)
296 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
297 0.33408977534118624228
298 @end example
299
300 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
301 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
302 arbitrary predefined accuracy:
303
304 @example
305 > evalf(1/7);
306 0.14285714285714285714
307 > Digits=150;
308 150
309 > evalf(1/7);
310 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
311 5714285714285714285714285714285714285
312 @end example
313
314 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
315 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
316 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
317 numeric expressions (as an inexact number):
318
319 @example
320 > a=Pi^2+x;
321 x+Pi^2
322 > evalf(a);
323 9.869604401089358619+x
324 > x=2;
325 2
326 > evalf(a);
327 11.869604401089358619
328 @end example
329
330 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
331 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
332 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
333
334 @example
335 > cos(42*Pi);
336 1
337 > cos(acos(x));
338 x
339 > acos(cos(x));
340 acos(cos(x))
341 @end example
342
343 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
344 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
345
346 Linear equation systems can be solved along with basic linear
347 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
348 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
349 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
350
351 @example
352 > lsolve(a+x*y==z,x);
353 y^(-1)*(z-a);
354 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
355 @{x==19/8,y==-1/40@}
356 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
357 [[1,3],[-3,2]]
358 > determinant(M);
359 11
360 > charpoly(M,lambda);
361 lambda^2-3*lambda+11
362 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
363 [[1,1],[2,-1]]
364 > A+2*M;
365 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
366 > evalm(%);
367 [[3,7],[-4,3]]
368 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
369 > evalm(B^(2^12345));
370 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
371 @end example
372
373 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
374 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
375 polynomials):
376
377 @example
378 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
379 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
380 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
381 4*x*y-y^2+x^2
382 > expand(a*b);
383 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
384 > collect(a+b,x);
385 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
386 > collect(a+b,y);
387 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
388 > normal(a/b);
389 3*y^2+x^2
390 @end example
391
392 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
393 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
394 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
395 order):
396
397 @cindex Zeta function
398 @example
399 > diff(tan(x),x);
400 tan(x)^2+1
401 > series(sin(x),x==0,4);
402 x-1/6*x^3+Order(x^4)
403 > series(1/tan(x),x==0,4);
404 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
405 > series(tgamma(x),x==0,3);
406 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
407 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
408 > evalf(%);
409 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
410 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
411 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
412 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
413 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
414 @end example
415
416 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
417 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
418
419 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
420 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
421
422 @cindex fsolve
423 @example
424 > Digits=50:
425 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
426 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
427 > f=exp(sin(x))-x:
428 > X=fsolve(f,x,-10,10);
429 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
430 > subs(f,x==X);
431 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
432 @end example
433
434 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
435 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
436 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
437 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
438 point values.
439
440 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
441 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
442 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
443 metric system is now easy:
444
445 @example
446 > in=.0254*m;
447 0.0254*m
448 > lb=.45359237*kg;
449 0.45359237*kg
450 > 200*lb/in^2;
451 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
452 @end example
453
454
455 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
456 @c    node-name, next, previous, up
457 @chapter Installation
458
459 @cindex CLN
460 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
461 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
462 installation.
463
464 @menu
465 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
466 * Configuration::                How to configure GiNaC.
467 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
468 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
469 @end menu
470
471
472 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
473 @c    node-name, next, previous, up
474 @section Prerequisites
475
476 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
477 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
478 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
479 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
480 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
481 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
482 process as well, since some of the source files are automatically
483 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
484 is used extensively and needs to be installed on your system.
485 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
486 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
487 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
488 it will refuse to continue.
489
490
491 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
492 @c    node-name, next, previous, up
493 @section Configuration
494 @cindex configuration
495 @cindex Autoconf
496
497 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
498 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
499 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
500 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
501 prompts, all customization must be done either via command line
502 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
503 the complete set of which can be listed by calling it with the
504 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
505 described in what follows:
506
507 @itemize @bullet
508
509 @item
510 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
511 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
512 when developing because it considerably speeds up compilation.
513
514 @item
515 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
516 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
517 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
518 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
519 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
520
521 @item
522 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
523 the library installed in some other directory than
524 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
525
526 @item
527 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
528 to have the header files installed in some other directory than
529 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
530 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
531 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
532 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
533 keep the header files separated from others.  This avoids some
534 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
535 to be considered A Good Thing (tm).
536
537 @item
538 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
539 want to have the documentation installed in some other directory than
540 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
541
542 @end itemize
543
544 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
545 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
546 override the default in your path.  (The @command{configure} script
547 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
548 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
549 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
550 environment variable, like optimization, debugging information and
551 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
552 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
553 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
554 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
555 must generate @command{configure} along with the various
556 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
557 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
558
559 The whole process is illustrated in the following two
560 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
561 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
562 your login shell.)
563
564 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
565 everything is in default paths:
566
567 @example
568 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
569 $ ./configure
570 @end example
571
572 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
573 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
574 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
575 debugging information are switched on:
576
577 @example
578 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
579 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
580 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
581 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
582 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
583 @end example
584
585
586 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
587 @c    node-name, next, previous, up
588 @section Building GiNaC
589 @cindex building GiNaC
590
591 After proper configuration you should just build the whole
592 library by typing
593 @example
594 $ make
595 @end example
596 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
597 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
598 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
599 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
600
601 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
602 regression tests by typing
603
604 @example
605 $ make check
606 @end example
607
608 This will compile some sample programs, run them and check the output
609 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
610 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
611 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
612 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
613 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
614 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
615 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
616 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
617 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
618 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
619 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
620 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
621 to fiddle around with optimization.
622
623 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
624 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
625 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
626
627 @example
628 $ make html
629 $ make dvi
630 $ make ps
631 $ make pdf
632 @end example
633
634 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
635 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
636 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
637 @var{target} there in case something went wrong.
638
639
640 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
641 @c    node-name, next, previous, up
642 @section Installing GiNaC
643 @cindex installation
644
645 To install GiNaC on your system, simply type
646
647 @example
648 $ make install
649 @end example
650
651 As described in the section about configuration the files will be
652 installed in the following directories (the directories will be created
653 if they don't already exist):
654
655 @itemize @bullet
656
657 @item
658 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
659 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
660 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
661 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
662 will be established as well.
663
664 @item
665 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
666 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
667
668 @item
669 All documentation (info) will be stuffed into
670 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
671 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
672
673 @end itemize
674
675 For the sake of completeness we will list some other useful make
676 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
677 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
678 distclean} removes all files generated by the configuration and
679 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
680 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
681 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
682 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
683 work after you have called @command{make distclean} since the
684 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
685 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
686 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
687 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
688 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
689 do it by hand since you now know where all the files went during
690 installation.}.
691
692
693 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
694 @c    node-name, next, previous, up
695 @chapter Basic concepts
696
697 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
698 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
699 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
700 meta-class for storing all mathematical objects.
701
702 @menu
703 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
704 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
705 * Error handling::               How the library reports errors.
706 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
707 * Symbols::                      Symbolic objects.
708 * Numbers::                      Numerical objects.
709 * Constants::                    Pre-defined constants.
710 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
711 * Lists::                        Lists of expressions.
712 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
713 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
714 * Integrals::                    Symbolic integrals.
715 * Matrices::                     Matrices.
716 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
717 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
718 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
719 @end menu
720
721
722 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
723 @c    node-name, next, previous, up
724 @section Expressions
725 @cindex expression (class @code{ex})
726 @cindex @code{has()}
727
728 The most common class of objects a user deals with is the expression
729 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
730 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
731 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
732 little collection of valid expressions:
733
734 @example
735 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
736 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
737 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
738 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
739 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
740 @end example
741
742 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
743 contain other expressions thus creating a tree of expressions
744 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
745 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
746 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
747 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
748 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
749 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
750
751 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
752 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
753 @code{ex}.
754
755 @subsection Note: Expressions and STL containers
756
757 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
758 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
759 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
760 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
761
762 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
763 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
764 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
765 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
766 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
767
768 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
769 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
770
771 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
772 expressions.
773
774
775 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
776 @c    node-name, next, previous, up
777 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
778 @cindex evaluation
779
780 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
781 them and put them into a canonical form. Some examples:
782
783 @example
784 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
785 ex MyEx2 = x - x;        // 0
786 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
787 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
788 @end example
789
790 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
791 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
792
793 @itemize @bullet
794 @item
795 at most of complexity
796 @tex
797 $O(n\log n)$
798 @end tex
799 @ifnottex
800 @math{O(n log n)}
801 @end ifnottex
802 @item
803 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
804 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
805 @end itemize
806
807 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
808 behave in an entirely obvious way at first glance:
809
810 @itemize
811 @item
812 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
813 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
814 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
815 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
816 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
817 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
818 canonical form.
819 @item
820 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
821 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
822 example
823 @example
824 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
825 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
826 @end example
827 @end itemize
828
829 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
830 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
831 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
832 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
833 some immediate simplifications.
834
835 @cindex @code{eval()}
836 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
837
838 @example
839 ex ex::eval(int level = 0) const;
840 ex basic::eval(int level = 0) const;
841 @end example
842
843 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
844 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
845 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
846 re-evaluate their results.
847
848
849 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
850 @c    node-name, next, previous, up
851 @section Error handling
852 @cindex exceptions
853 @cindex @code{pole_error} (class)
854
855 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
856 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
857 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
858 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
859 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
860 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
861 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
862 at a singularity.
863
864 The @code{pole_error} class has a member function
865
866 @example
867 int pole_error::degree() const;
868 @end example
869
870 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
871 logarithmic or the order is undefined).
872
873 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
874 the main program even if you don't want to do any special error handling.
875 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
876 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
877 usually only aborts the program without giving any information what went
878 wrong.
879
880 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
881 exceptions generated by GiNaC:
882
883 @example
884 #include <iostream>
885 #include <stdexcept>
886 #include <ginac/ginac.h>
887 using namespace std;
888 using namespace GiNaC;
889
890 int main()
891 @{
892     try @{
893         ...
894         // code using GiNaC
895         ...
896     @} catch (exception &p) @{
897         cerr << p.what() << endl;
898         return 1;
899     @}
900     return 0;
901 @}
902 @end example
903
904
905 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
906 @c    node-name, next, previous, up
907 @section The class hierarchy
908
909 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
910 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
911 helpers) are internally derived from one abstract base class called
912 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
913 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
914 containers of expressions and so on.
915
916 @cindex container
917 @cindex atom
918 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
919 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
920 some of the relations among the classes:
921
922 @image{classhierarchy}
923
924 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
925 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
926 duplication if two or more classes derived from them share certain
927 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
928 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
929 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
930 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
931 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
932 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
933 are stored in the different classes:
934
935 @cartouche
936 @multitable @columnfractions .22 .78
937 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
938 @item @code{constant} @tab Constants like 
939 @tex
940 $\pi$
941 @end tex
942 @ifnottex
943 @math{Pi}
944 @end ifnottex
945 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
946 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
947 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
948 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
949 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
950 @tex
951 $\sqrt{2}$
952 @end tex
953 @ifnottex
954 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
955 @end ifnottex
956 @dots{}
957 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
958 @item @code{function} @tab A symbolic function like
959 @tex
960 $\sin 2x$
961 @end tex
962 @ifnottex
963 @math{sin(2*x)}
964 @end ifnottex
965 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
966 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
967 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
968 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
969 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
970 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
971 @item @code{varidx} @tab Index with variance
972 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
973 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
974 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
975 @end multitable
976 @end cartouche
977
978
979 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
980 @c    node-name, next, previous, up
981 @section Symbols
982 @cindex @code{symbol} (class)
983 @cindex hierarchy of classes
984
985 @cindex atom
986 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
987 manipulation what atoms are for chemistry.
988
989 A typical symbol definition looks like this:
990 @example
991 symbol x("x");
992 @end example
993
994 This definition actually contains three very different things:
995 @itemize
996 @item a C++ variable named @code{x}
997 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
998   represents the symbol in a GiNaC expression
999 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1000   exclusively for printing expressions holding the symbol
1001 @end itemize
1002
1003 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1004 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1005 throws them away during compilation.
1006
1007 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1008 @example
1009 symbol x;
1010 @end example
1011
1012 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1013 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1014 the output of your calculations will become more readable if you give your
1015 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1016 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1017
1018 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1019 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1020 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1021 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1022 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1023 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1024 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1025 indeterminate.
1026
1027 Observe:
1028 @example
1029 ex f(int n)
1030 @{
1031     symbol x("x");
1032     return pow(x, n);
1033 @}
1034
1035 int main()
1036 @{
1037     symbol x("x");
1038     ex e = f(6);
1039
1040     cout << e << endl;
1041      // prints "x^6" which looks right, but...
1042
1043     cout << e.degree(x) << endl;
1044      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1045      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1046      // prints "0".
1047 @}
1048 @end example
1049
1050 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1051 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1052 @example
1053 ex f(int n, const ex & x)
1054 @{
1055     return pow(x, n);
1056 @}
1057
1058 int main()
1059 @{
1060     symbol x("x");
1061
1062     // Now, f() uses the same symbol.
1063     ex e = f(6, x);
1064
1065     cout << e.degree(x) << endl;
1066      // prints "6", as expected
1067 @}
1068 @end example
1069
1070 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1071 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1072 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1073 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1074 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1075 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1076 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1077 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1078 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1079 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1080 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1081
1082 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1083 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1084 like this one:
1085 @example
1086 const symbol & get_symbol(const string & s)
1087 @{
1088     static map<string, symbol> directory;
1089     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1090     if (i != directory.end())
1091         return i->second;
1092     else
1093         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1094 @}
1095 @end example
1096
1097 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1098 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1099 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1100 this:
1101 @example
1102 ex f(int n)
1103 @{
1104     return pow(get_symbol("x"), n);
1105 @}
1106
1107 int main()
1108 @{
1109     ex e = f(6);
1110
1111     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1112     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1113      // prints "6"
1114 @}
1115 @end example
1116
1117 Instead of creating symbols from strings we could also have
1118 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1119 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1120 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1121 @code{ostringstream}.
1122
1123 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1124 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1125 definitions.
1126
1127 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1128 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1129 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1130 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1131
1132 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1133 in LaTeX output:
1134 @example
1135 symbol x("x", "\\Box");
1136 @end example
1137
1138 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1139 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1140 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1141 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1142 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1143
1144 @cindex @code{subs()}
1145 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1146 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1147 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1148 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1149 (@pxref{Substituting expressions}).
1150
1151 @cindex @code{realsymbol()}
1152 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1153 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1154 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1155 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1156 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1157 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1158 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1159 allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163 @cindex @code{possymbol()}
1164 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1165 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1166 @code{x}. This is done by declaying the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1167
1168
1169 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1170 @c    node-name, next, previous, up
1171 @section Numbers
1172 @cindex @code{numeric} (class)
1173
1174 @cindex GMP
1175 @cindex CLN
1176 @cindex rational
1177 @cindex fraction
1178 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1179 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1180 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1181 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1182 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1183 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1184 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1185 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1186 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1187 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1188 several useful things: First, it introduces the complex number field
1189 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1190 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1191 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1192 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1193 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1194 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1195 calculation of some useful constants.
1196
1197 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1198 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1199 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1200 integers, construction from C-float and construction from a string:
1201
1202 @example
1203 #include <iostream>
1204 #include <ginac/ginac.h>
1205 using namespace GiNaC;
1206
1207 int main()
1208 @{
1209     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1210     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1211     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1212     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1213     // Trott's constant in scientific notation:
1214     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1215     
1216     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1217     ...
1218 @end example
1219
1220 @cindex @code{I}
1221 @cindex complex numbers
1222 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1223 name @code{I}:
1224
1225 @example
1226     ...
1227     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1228     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1229 @}
1230 @end example
1231
1232 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1233 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1234 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1235 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1236 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1237 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1238 also.
1239
1240 @cindex @code{Digits}
1241 @cindex accuracy
1242 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1243 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1244 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1245 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1246 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1247 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1248 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1249 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1250 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1251 digits:
1252
1253 @example
1254 #include <iostream>
1255 #include <ginac/ginac.h>
1256 using namespace std;
1257 using namespace GiNaC;
1258
1259 void foo()
1260 @{
1261     numeric three(3.0), one(1.0);
1262     numeric x = one/three;
1263
1264     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1265     cout << x << endl;
1266     cout << Pi.evalf() << endl;
1267 @}
1268
1269 int main()
1270 @{
1271     foo();
1272     Digits = 60;
1273     foo();
1274     return 0;
1275 @}
1276 @end example
1277
1278 The above example prints the following output to screen:
1279
1280 @example
1281 in 17 digits:
1282 0.33333333333333333334
1283 3.1415926535897932385
1284 in 60 digits:
1285 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1286 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1287 @end example
1288
1289 @cindex rounding
1290 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1291 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1292 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1293 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1294 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1295 architectures with different word size, the above output might even
1296 differ with regard to actually computed digits.
1297
1298 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1299 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1300 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1301
1302 @subsection Tests on numbers
1303
1304 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1305 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1306 kind of information from them like asking whether that number is
1307 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1308 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1309 certain CLN functions.)
1310
1311 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1312 some multiple of its denominator and test what comes out:
1313
1314 @example
1315 #include <iostream>
1316 #include <ginac/ginac.h>
1317 using namespace std;
1318 using namespace GiNaC;
1319
1320 // some very important constants:
1321 const numeric twentyone(21);
1322 const numeric ten(10);
1323 const numeric five(5);
1324
1325 int main()
1326 @{
1327     numeric answer = twentyone;
1328
1329     answer /= five;
1330     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1331     answer *= ten;
1332     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1333 @}
1334 @end example
1335
1336 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1337 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1338 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1339 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1340 the result is automatically converted to a pure integer again.
1341 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1342 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1343 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1344 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1345 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1346 can be applied is listed in the following table.
1347
1348 @cartouche
1349 @multitable @columnfractions .30 .70
1350 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1351 @item @code{.is_zero()}
1352 @tab @dots{}equal to zero
1353 @item @code{.is_positive()}
1354 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1355 @item @code{.is_integer()}
1356 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1357 @item @code{.is_pos_integer()}
1358 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1359 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1360 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1361 @item @code{.is_even()}
1362 @tab @dots{}an even integer
1363 @item @code{.is_odd()}
1364 @tab @dots{}an odd integer
1365 @item @code{.is_prime()}
1366 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1367 @item @code{.is_rational()}
1368 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1369 @item @code{.is_real()}
1370 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1371 @item @code{.is_cinteger()}
1372 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1373 @item @code{.is_crational()}
1374 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1375 @end multitable
1376 @end cartouche
1377
1378 @subsection Numeric functions
1379
1380 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1381 evaluated immediately:
1382
1383 @cartouche
1384 @multitable @columnfractions .30 .70
1385 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1386 @item @code{inverse(z)}
1387 @tab returns @math{1/z}
1388 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1389 @item @code{pow(a, b)}
1390 @tab exponentiation @math{a^b}
1391 @item @code{abs(z)}
1392 @tab absolute value
1393 @item @code{real(z)}
1394 @tab real part
1395 @cindex @code{real()}
1396 @item @code{imag(z)}
1397 @tab imaginary part
1398 @cindex @code{imag()}
1399 @item @code{csgn(z)}
1400 @tab complex sign (returns an @code{int})
1401 @item @code{step(x)}
1402 @tab step function (returns an @code{numeric})
1403 @item @code{numer(z)}
1404 @tab numerator of rational or complex rational number
1405 @item @code{denom(z)}
1406 @tab denominator of rational or complex rational number
1407 @item @code{sqrt(z)}
1408 @tab square root
1409 @item @code{isqrt(n)}
1410 @tab integer square root
1411 @cindex @code{isqrt()}
1412 @item @code{sin(z)}
1413 @tab sine
1414 @item @code{cos(z)}
1415 @tab cosine
1416 @item @code{tan(z)}
1417 @tab tangent
1418 @item @code{asin(z)}
1419 @tab inverse sine
1420 @item @code{acos(z)}
1421 @tab inverse cosine
1422 @item @code{atan(z)}
1423 @tab inverse tangent
1424 @item @code{atan(y, x)}
1425 @tab inverse tangent with two arguments
1426 @item @code{sinh(z)}
1427 @tab hyperbolic sine
1428 @item @code{cosh(z)}
1429 @tab hyperbolic cosine
1430 @item @code{tanh(z)}
1431 @tab hyperbolic tangent
1432 @item @code{asinh(z)}
1433 @tab inverse hyperbolic sine
1434 @item @code{acosh(z)}
1435 @tab inverse hyperbolic cosine
1436 @item @code{atanh(z)}
1437 @tab inverse hyperbolic tangent
1438 @item @code{exp(z)}
1439 @tab exponential function
1440 @item @code{log(z)}
1441 @tab natural logarithm
1442 @item @code{Li2(z)}
1443 @tab dilogarithm
1444 @item @code{zeta(z)}
1445 @tab Riemann's zeta function
1446 @item @code{tgamma(z)}
1447 @tab gamma function
1448 @item @code{lgamma(z)}
1449 @tab logarithm of gamma function
1450 @item @code{psi(z)}
1451 @tab psi (digamma) function
1452 @item @code{psi(n, z)}
1453 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1454 @item @code{factorial(n)}
1455 @tab factorial function @math{n!}
1456 @item @code{doublefactorial(n)}
1457 @tab double factorial function @math{n!!}
1458 @cindex @code{doublefactorial()}
1459 @item @code{binomial(n, k)}
1460 @tab binomial coefficients
1461 @item @code{bernoulli(n)}
1462 @tab Bernoulli numbers
1463 @cindex @code{bernoulli()}
1464 @item @code{fibonacci(n)}
1465 @tab Fibonacci numbers
1466 @cindex @code{fibonacci()}
1467 @item @code{mod(a, b)}
1468 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1469 @cindex @code{mod()}
1470 @item @code{smod(a, b)}
1471 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1472 @cindex @code{smod()}
1473 @item @code{irem(a, b)}
1474 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1475 @cindex @code{irem()}
1476 @item @code{irem(a, b, q)}
1477 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1478 @item @code{iquo(a, b)}
1479 @tab integer quotient
1480 @cindex @code{iquo()}
1481 @item @code{iquo(a, b, r)}
1482 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1483 @item @code{gcd(a, b)}
1484 @tab greatest common divisor
1485 @item @code{lcm(a, b)}
1486 @tab least common multiple
1487 @end multitable
1488 @end cartouche
1489
1490 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1491 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1492 as polynomial algorithms.
1493
1494 @subsection Converting numbers
1495
1496 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1497 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1498 class provides a couple of methods for this purpose:
1499
1500 @cindex @code{to_int()}
1501 @cindex @code{to_long()}
1502 @cindex @code{to_double()}
1503 @cindex @code{to_cl_N()}
1504 @example
1505 int numeric::to_int() const;
1506 long numeric::to_long() const;
1507 double numeric::to_double() const;
1508 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1509 @end example
1510
1511 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1512 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1513 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1514 rational number will return a floating-point approximation. Both
1515 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1516 part of complex numbers.
1517
1518
1519 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1520 @c    node-name, next, previous, up
1521 @section Constants
1522 @cindex @code{constant} (class)
1523
1524 @cindex @code{Pi}
1525 @cindex @code{Catalan}
1526 @cindex @code{Euler}
1527 @cindex @code{evalf()}
1528 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1529 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1530
1531 The predefined known constants are:
1532
1533 @cartouche
1534 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1535 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1536 @item @code{Pi}
1537 @tab Archimedes' constant
1538 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1539 @item @code{Catalan}
1540 @tab Catalan's constant
1541 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1542 @item @code{Euler}
1543 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1544 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1545 @end multitable
1546 @end cartouche
1547
1548
1549 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1550 @c    node-name, next, previous, up
1551 @section Sums, products and powers
1552 @cindex polynomial
1553 @cindex @code{add}
1554 @cindex @code{mul}
1555 @cindex @code{power}
1556
1557 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1558 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1559 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1560 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1561 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1562 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1563 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1564 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1565
1566 @example
1567     ...
1568     symbol a("a"), b("b");
1569     ex MyTerm = 1+a*b;
1570     ...
1571 @end example
1572
1573 @cindex @code{pow()}
1574 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1575 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1576 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1577 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1578 have several counterintuitive and undesired effects:
1579
1580 @itemize @bullet
1581 @item
1582 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1583 @item
1584 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1585 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1586 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1587 @item
1588 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1589 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1590 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1591 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1592 has requested @code{2^3}.)
1593 @end itemize
1594
1595 @cindex @command{ginsh}
1596 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1597 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1598 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1599 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1600 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1601 not exist at all in C++).
1602
1603 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1604 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1605 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1606 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1607 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1608 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1609 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1610 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1611 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1612 @code{x} negative.
1613
1614 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1615 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1616 and safe simplifications are carried out like transforming
1617 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1618
1619
1620 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1621 @c    node-name, next, previous, up
1622 @section Lists of expressions
1623 @cindex @code{lst} (class)
1624 @cindex lists
1625 @cindex @code{nops()}
1626 @cindex @code{op()}
1627 @cindex @code{append()}
1628 @cindex @code{prepend()}
1629 @cindex @code{remove_first()}
1630 @cindex @code{remove_last()}
1631 @cindex @code{remove_all()}
1632
1633 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1634 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1635 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1636 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1637 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1638
1639 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1640 expressions:
1641
1642 @example
1643 @{
1644     symbol x("x"), y("y");
1645     lst l;
1646     l = x, 2, y, x+y;
1647     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1648     // in that order
1649     ...
1650 @end example
1651
1652 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1653 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1654
1655 @example
1656     ...
1657     // This produces the same list 'l' as above:
1658     // lst l(x, 2, y, x+y);
1659     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1660     ...
1661 @end example
1662
1663 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1664 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1665 individual elements:
1666
1667 @example
1668     ...
1669     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1670     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1671     ...
1672 @end example
1673
1674 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1675 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1676 sequential access to the elements of a list is possible with the
1677 iterator types provided by the @code{lst} class:
1678
1679 @example
1680 typedef ... lst::const_iterator;
1681 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1682 lst::const_iterator lst::begin() const;
1683 lst::const_iterator lst::end() const;
1684 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1685 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1686 @end example
1687
1688 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1689
1690 @example
1691     ...
1692     // O(N)
1693     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1694         cout << *i << endl;
1695     ...
1696 @end example
1697
1698 which is one order faster than
1699
1700 @example
1701     ...
1702     // O(N^2)
1703     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1704         cout << l.op(i) << endl;
1705     ...
1706 @end example
1707
1708 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1709 the C++ standard library:
1710
1711 @example
1712     ...
1713     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1714     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1715
1716     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1717     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1718     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1719     ...
1720 @end example
1721
1722 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1723 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1724
1725 @example
1726     ...
1727     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1728     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1729     ...
1730 @end example
1731
1732 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1733 and @code{prepend()} methods:
1734
1735 @example
1736     ...
1737     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1738     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1739     ...
1740 @end example
1741
1742 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1743 and @code{remove_last()}:
1744
1745 @example
1746     ...
1747     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1748     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1749     ...
1750 @end example
1751
1752 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1753
1754 @example
1755     ...
1756     l.remove_all();     // l is now empty
1757     ...
1758 @end example
1759
1760 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1761
1762 @example
1763     ...
1764     lst l1, l2;
1765     l1 = x, 2, y, x+y;
1766     l2 = 2, x+y, x, y;
1767     l1.sort();
1768     l2.sort();
1769     // l1 and l2 are now equal
1770     ...
1771 @end example
1772
1773 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1774 elements with @code{unique()}:
1775
1776 @example
1777     ...
1778     lst l3;
1779     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1780     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1781 @}
1782 @end example
1783
1784
1785 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1786 @c    node-name, next, previous, up
1787 @section Mathematical functions
1788 @cindex @code{function} (class)
1789 @cindex trigonometric function
1790 @cindex hyperbolic function
1791
1792 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1793 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1794 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1795
1796 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1797 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1798 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1799 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1800 the next example, showing how a function returns itself twice and
1801 finally an expression that may be really useful:
1802
1803 @cindex Gamma function
1804 @cindex @code{subs()}
1805 @example
1806     ...
1807     symbol x("x"), y("y");    
1808     ex foo = x+y/2;
1809     cout << tgamma(foo) << endl;
1810      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1811     ex bar = foo.subs(y==1);
1812     cout << tgamma(bar) << endl;
1813      // -> tgamma(x+1/2)
1814     ex foobar = bar.subs(x==7);
1815     cout << tgamma(foobar) << endl;
1816      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1817     ...
1818 @end example
1819
1820 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1821 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1822 this.
1823
1824 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1825 functions, where the argument list is templated.  This means that
1826 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1827 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1828 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1829 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1830 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1831 point number of class @code{numeric} you should call
1832 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1833 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1834 wrapped inside an @code{ex}.
1835
1836
1837 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1838 @c    node-name, next, previous, up
1839 @section Relations
1840 @cindex @code{relational} (class)
1841
1842 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1843 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1844 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1845 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1846 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1847 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1848
1849 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1850 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1851 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1852 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1853 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1854 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1855 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1856 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1857 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1858 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1859 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1860 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1861 @code{expand()} must be called explicitly.
1862
1863 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1864 @c    node-name, next, previous, up
1865 @section Integrals
1866 @cindex @code{integral} (class)
1867
1868 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1869 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1870 1, you would write this as
1871 @example
1872 integral(x, 0, 1, x*x)
1873 @end example
1874 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1875 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1876 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1877 can be evaluated symbolically by calling the
1878 @example
1879 .eval_integ()
1880 @end example
1881 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1882 @example
1883 .evalf()
1884 @end example
1885 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1886 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1887 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1888 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1889 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1890 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1891 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1892 integrals is determined by the static member variable
1893 @example
1894 ex integral::relative_integration_error
1895 @end example
1896 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1897 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1898 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1899 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1900 variable
1901 @example
1902 int integral::max_integration_level
1903 @end example
1904 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1905 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1906 evaluation, is also available as
1907 @example
1908 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1909 const ex & error)
1910 @end example
1911 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1912 last parameter of the function is optional and defaults to the
1913 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1914 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1915 a lookup table is used.
1916
1917 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1918 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1919 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1920 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1921 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1922 with respect to the integration variable.
1923
1924 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1925 @c    node-name, next, previous, up
1926 @section Matrices
1927 @cindex @code{matrix} (class)
1928
1929 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1930 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1931 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1932 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1933
1934 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1935 elements. The constructor
1936
1937 @example
1938 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1939 @end example
1940
1941 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1942 set to zero.
1943
1944 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1945 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1946 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1947
1948 @example
1949 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1950 @end example
1951
1952 The function
1953
1954 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1955 @example
1956 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1957 @end example
1958
1959 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1960
1961 There is also a set of functions for creating some special types of
1962 matrices:
1963
1964 @cindex @code{diag_matrix()}
1965 @cindex @code{unit_matrix()}
1966 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1967 @example
1968 ex diag_matrix(const lst & l);
1969 ex unit_matrix(unsigned x);
1970 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1971 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1972 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1973                    const string & tex_base_name);
1974 @end example
1975
1976 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1977 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1978 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1979 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1980 and the position of each element in the matrix.
1981
1982 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1983 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1984 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1985 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1986 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1987 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1988
1989 @cindex @code{sub_matrix()}
1990 @cindex @code{reduced_matrix()}
1991 @example
1992 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1993 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1994 @end example
1995
1996 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1997 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1998 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1999 that specify which row and column to remove:
2000
2001 @example
2002 @{
2003     matrix m(3,3);
2004     m = 11, 12, 13,
2005         21, 22, 23,
2006         31, 32, 33;
2007     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2008     // -> [[11,13],[31,33]]
2009     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2010     // -> [[22,23],[32,33]]
2011 @}
2012 @end example
2013
2014 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2015 operator:
2016
2017 @example
2018 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2019 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2020 @end example
2021
2022 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2023 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2024 @samp{[]} is not available.
2025
2026 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2027
2028 @example
2029 @{
2030     symbol a("a"), b("b");
2031
2032     matrix M(2, 2);
2033     M = a, 0,
2034         0, b;
2035     cout << M << endl;
2036      // -> [[a,0],[0,b]]
2037
2038     matrix M2(2, 2);
2039     M2(0, 0) = a;
2040     M2(1, 1) = b;
2041     cout << M2 << endl;
2042      // -> [[a,0],[0,b]]
2043
2044     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2045      // -> [[a,0],[0,b]]
2046
2047     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2048      // -> [[a,0],[0,b]]
2049
2050     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2051      // -> [[a,0],[0,b]]
2052
2053     cout << unit_matrix(3) << endl;
2054      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2055
2056     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2057      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2058 @}
2059 @end example
2060
2061 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2062 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2063 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2064 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2065 expression is zero or a zero matrix.
2066
2067 @cindex @code{transpose()}
2068 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2069 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2070
2071 @example
2072 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2073 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2074 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2075 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2076 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2077 matrix matrix::transpose() const;
2078 @end example
2079
2080 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2081 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2082 and @math{C}:
2083
2084 @example
2085 @{
2086     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2087     A =  1, 2,
2088          3, 4;
2089     B = -1, 0,
2090          2, 1;
2091     C =  8, 4,
2092          2, 1;
2093
2094     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2095     cout << result << endl;
2096      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2097     ...
2098 @}
2099 @end example
2100
2101 @cindex @code{evalm()}
2102 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2103 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2104 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2105 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2106 method
2107
2108 @example
2109 ex ex::evalm() const;
2110 @end example
2111
2112 to obtain the result:
2113
2114 @example
2115 @{
2116     ...
2117     ex e = A*B - 2*C;
2118     cout << e << endl;
2119      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2120     cout << e.evalm() << endl;
2121      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2122     ...
2123 @}
2124 @end example
2125
2126 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2127 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2128 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2129 dealing with non-commutative expressions.
2130
2131 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2132 to perform the arithmetic:
2133
2134 @example
2135 @{
2136     ...
2137     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2138     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2139     cout << e << endl;
2140      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2141     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2142      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2143 @}
2144 @end example
2145
2146 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2147 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2148 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2149 more information about using matrices with indices, and about indices in
2150 general.
2151
2152 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2153 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2154
2155 @cindex @code{determinant()}
2156 @cindex @code{trace()}
2157 @cindex @code{charpoly()}
2158 @cindex @code{rank()}
2159 @example
2160 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2161 ex matrix::trace() const;
2162 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2163 unsigned matrix::rank() const;
2164 @end example
2165
2166 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2167 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2168 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2169 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2170 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2171 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2172 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2173 quickly.
2174
2175 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2176 @cindex @code{solve()}
2177 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2178 method and linear systems may be solved with:
2179
2180 @example
2181 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2182                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2183 @end example
2184
2185 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2186 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2187 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2188 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2189 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2190 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2191 overdetermined, an exception is thrown.
2192
2193
2194 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2195 @c    node-name, next, previous, up
2196 @section Indexed objects
2197
2198 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2199 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2200 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2201 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2202
2203 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2204 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2205 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2206 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2207
2208 @cindex @code{idx} (class)
2209 @cindex @code{indexed} (class)
2210 @subsection Indexed quantities and their indices
2211
2212 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2213 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2214
2215 @itemize @bullet
2216
2217 @cindex contravariant
2218 @cindex covariant
2219 @cindex variance
2220 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2221 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2222 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2223 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2224 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2225 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2226
2227 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2228 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2229 one or more indices.
2230
2231 @end itemize
2232
2233 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2234 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2235 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2236 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2237 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2238 not visible in the output.
2239
2240 A simple example shall illustrate the concepts:
2241
2242 @example
2243 #include <iostream>
2244 #include <ginac/ginac.h>
2245 using namespace std;
2246 using namespace GiNaC;
2247
2248 int main()
2249 @{
2250     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2251     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2252
2253     symbol A("A");
2254     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2255      // -> A.i.j
2256     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2257      // -> A.i[3].j[3]
2258     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2259     ...
2260 @end example
2261
2262 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2263 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2264 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2265 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2266 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2267 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2268 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2269 @code{j}.
2270
2271 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2272 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2273 as shown above.
2274
2275 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2276 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2277 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2278 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2279 correct and will raise an exception:
2280
2281 @example
2282 symbol i("i"), j("j");
2283 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2284 @end example
2285
2286 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2287 be numeric, and index dimensions symbolic:
2288
2289 @example
2290     ...
2291     symbol B("B"), dim("dim");
2292     cout << 4 * indexed(A, i)
2293           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2294      // -> B.j.2.i+4*A.i
2295     ...
2296 @end example
2297
2298 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2299 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2300 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2301 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2302 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2303
2304 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2305 arbitrary expressions:
2306
2307 @example
2308     ...
2309     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2310      // -> (B+A).(1+2*i)
2311     ...
2312 @end example
2313
2314 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2315 get an error message from this but you will probably not be able to do
2316 anything useful with it.
2317
2318 @cindex @code{get_value()}
2319 @cindex @code{get_dimension()}
2320 The methods
2321
2322 @example
2323 ex idx::get_value();
2324 ex idx::get_dimension();
2325 @end example
2326
2327 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2328 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2329 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2330 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2331
2332 There are also the methods
2333
2334 @example
2335 bool idx::is_numeric();
2336 bool idx::is_symbolic();
2337 bool idx::is_dim_numeric();
2338 bool idx::is_dim_symbolic();
2339 @end example
2340
2341 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2342 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2343 about expressions}) returns information about the index value.
2344
2345 @cindex @code{varidx} (class)
2346 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2347
2348 @example
2349     ...
2350     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2351     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2352     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2353
2354     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2355      // -> A~mu~nu
2356     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2357      // -> A.mu~nu
2358     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2359      // -> A.mu~nu
2360     ...
2361 @end example
2362
2363 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2364 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2365 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2366 constructor. The two methods
2367
2368 @example
2369 bool varidx::is_covariant();
2370 bool varidx::is_contravariant();
2371 @end example
2372
2373 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2374 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2375 method
2376
2377 @example
2378 ex varidx::toggle_variance();
2379 @end example
2380
2381 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2382 variance. By using it you only have to define the index once.
2383
2384 @cindex @code{spinidx} (class)
2385 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2386 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2387
2388 @example
2389     ...
2390     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2391     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2392                                             // contravariant, undotted
2393     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2394     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2395     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2396
2397     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2398      // -> K~C~D
2399     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2400      // -> K.C~*D
2401     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2402      // -> K.*D~D
2403     ...
2404 @end example
2405
2406 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2407 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2408 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2409 methods
2410
2411 @example
2412 bool spinidx::is_dotted();
2413 bool spinidx::is_undotted();
2414 @end example
2415
2416 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2417 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2418 Finally, the two methods
2419
2420 @example
2421 ex spinidx::toggle_dot();
2422 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2423 @end example
2424
2425 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2426 and the same or opposite variance.
2427
2428 @subsection Substituting indices
2429
2430 @cindex @code{subs()}
2431 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2432 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2433 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2434 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2435
2436 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2437 by another index or expression:
2438
2439 @example
2440     ...
2441     ex e = indexed(A, mu_co);
2442     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2443      // -> A.mu becomes A~nu
2444     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2445      // -> A.mu becomes A~0
2446     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2447      // -> A.mu becomes A.0
2448     ...
2449 @end example
2450
2451 The third example shows that trying to replace an index with something that
2452 is not an index will substitute the index value instead.
2453
2454 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2455 another expression:
2456
2457 @example
2458     ...
2459     ex e = indexed(A, mu_co);
2460     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2461      // -> A.mu becomes A.nu
2462     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2463      // -> A.mu becomes A.0
2464     ...
2465 @end example
2466
2467 As you see, with the second method only the value of the index will get
2468 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2469 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2470 whole index by another one with the new dimension.
2471
2472 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2473 expected:
2474
2475 @example
2476     ...
2477     ex e = indexed(A, mu_co);
2478     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2479      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2480     ...
2481 @end example
2482
2483 @subsection Symmetries
2484 @cindex @code{symmetry} (class)
2485 @cindex @code{sy_none()}
2486 @cindex @code{sy_symm()}
2487 @cindex @code{sy_anti()}
2488 @cindex @code{sy_cycl()}
2489
2490 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2491 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2492 that is constructed with the helper functions
2493
2494 @example
2495 symmetry sy_none(...);
2496 symmetry sy_symm(...);
2497 symmetry sy_anti(...);
2498 symmetry sy_cycl(...);
2499 @end example
2500
2501 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2502 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2503 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2504 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2505 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2506 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2507 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2508 all indices.
2509
2510 Here are some examples of symmetry definitions:
2511
2512 @example
2513     ...
2514     // No symmetry:
2515     e = indexed(A, i, j);
2516     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2517     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2518
2519     // Symmetric in all three indices:
2520     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2521     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2522     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2523                                                // different canonical order
2524
2525     // Symmetric in the first two indices only:
2526     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2527     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2528
2529     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2530     // be contiguous):
2531     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2532     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2533
2534     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2535     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2536     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2537     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2538
2539     // Cyclic symmetry in all three indices:
2540     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2541     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2542
2543     // The following examples are invalid constructions that will throw
2544     // an exception at run time.
2545
2546     // An index may not appear multiple times:
2547     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2548     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2549
2550     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2551     // same number of indices:
2552     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2553
2554     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2555     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2556     ...
2557 @end example
2558
2559 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2560 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2561 full symmetry in the first six indices you would write
2562 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2563
2564 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2565 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2566
2567 @example
2568     ...
2569     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2570           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2571      // -> 2*A.j.i
2572     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2573           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2574      // -> 0
2575     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2576           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2577      // -> 0
2578     ...
2579 @end example
2580
2581 @cindex @code{get_free_indices()}
2582 @cindex dummy index
2583 @subsection Dummy indices
2584
2585 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2586 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2587 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2588 dummy nor free indices.
2589
2590 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2591 class and their value must be the same single symbol (an index like
2592 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2593 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2594 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2595
2596 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2597 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2598 of a sum are consistent:
2599
2600 @example
2601 @{
2602     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2603
2604     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2605     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2606
2607     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2608     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2609      // -> (.i,.k)
2610      // 'j' and 'l' are dummy indices
2611
2612     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2613     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2614
2615     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2616       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2617     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2618      // -> (~mu,~rho)
2619      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2620
2621     e = indexed(A, mu, mu);
2622     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2623      // -> (~mu)
2624      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2625      // variance
2626
2627     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2628     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2629      // this will throw an exception:
2630      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2631 @}
2632 @end example
2633
2634 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2635 A dummy index summation like 
2636 @tex
2637 $ a_i b^i$
2638 @end tex
2639 @ifnottex
2640 a.i b~i
2641 @end ifnottex
2642 can be expanded for indices with numeric
2643 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2644 @tex
2645 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2646 @end tex
2647 @ifnottex
2648 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2649 @end ifnottex
2650 This is performed by the function
2651
2652 @example
2653     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2654 @end example
2655
2656 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2657 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2658 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2659 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2660 @tex
2661 $ a_i b^i$
2662 @end tex
2663 @ifnottex
2664 a.i b~i
2665 @end ifnottex
2666 will be expanded to
2667 @tex
2668 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2669 @end tex
2670 @ifnottex
2671 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2672 @end ifnottex
2673
2674
2675 @cindex @code{simplify_indexed()}
2676 @subsection Simplifying indexed expressions
2677
2678 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2679 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2680 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2681 there is the method
2682
2683 @example
2684 ex ex::simplify_indexed();
2685 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2686 @end example
2687
2688 that performs some more expensive operations:
2689
2690 @itemize
2691 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2692   @code{get_free_indices()} does
2693 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2694   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2695 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2696   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2697   next section)
2698 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2699   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2700 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2701   of two tensors with a user-defined value
2702 @end itemize
2703
2704 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2705 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2706 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2707
2708 @example
2709 @{
2710     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2711     idx i(i_sym, 3);
2712
2713     scalar_products sp;
2714     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2715     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2716     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2717
2718     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2719     cout << e << endl;
2720      // -> (B+A).i*(A+C).i
2721
2722     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2723          << endl;
2724      // -> 4+C.i*B.i
2725 @}
2726 @end example
2727
2728 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2729 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2730 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2731 taken, and the expression to replace it with.
2732
2733 @cindex @code{expand()}
2734 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2735 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2736 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2737
2738 @cindex @code{tensor} (class)
2739 @subsection Predefined tensors
2740
2741 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2742 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2743 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2744 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2745 indices are specified).
2746
2747 @cindex @code{delta_tensor()}
2748 @subsubsection Delta tensor
2749
2750 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2751 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2752 @code{delta_tensor()}:
2753
2754 @example
2755 @{
2756     symbol A("A"), B("B");
2757
2758     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2759         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2760
2761     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2762          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2763     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2764      // -> B.i.j*A.i.j
2765
2766     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2767      // -> 3
2768 @}
2769 @end example
2770
2771 @cindex @code{metric_tensor()}
2772 @subsubsection General metric tensor
2773
2774 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2775 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2776 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2777 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2778
2779 @example
2780 @{
2781     symbol A("A");
2782
2783     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2784
2785     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2786     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2787      // -> A~mu~rho
2788
2789     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2790     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2791      // -> g~mu~rho
2792
2793     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2794       * metric_tensor(nu, rho);
2795     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2796      // -> delta.mu~rho
2797
2798     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2799       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2800         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2801     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2802      // -> 4+A.rho~rho
2803 @}
2804 @end example
2805
2806 @cindex @code{lorentz_g()}
2807 @subsubsection Minkowski metric tensor
2808
2809 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2810 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2811 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2812 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2813 @samp{eta}):
2814
2815 @example
2816 @{
2817     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2818
2819     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2820       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2821     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2822      // -> 1
2823
2824     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2825       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2826     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2827      // -> -1
2828 @}
2829 @end example
2830
2831 @cindex @code{spinor_metric()}
2832 @subsubsection Spinor metric tensor
2833
2834 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2835 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2836 It is output as @samp{eps}:
2837
2838 @example
2839 @{
2840     symbol psi("psi");
2841
2842     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2843     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2844
2845     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2846     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2847      // -> psi~A
2848
2849     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2850     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2851      // -> -psi~B
2852
2853     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2854     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2855      // -> -psi.A
2856
2857     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2858     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2859      // -> psi.B
2860
2861     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2862     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2863      // -> 2
2864
2865     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2866     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2867      // -> -delta.A~C
2868 @}
2869 @end example
2870
2871 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2872
2873 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2874 @cindex @code{lorentz_eps()}
2875 @subsubsection Epsilon tensor
2876
2877 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2878 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2879 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2880 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2881 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2882 @samp{eps}.
2883
2884 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2885 dimensions:
2886
2887 @example
2888 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2889 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2890 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2891                bool pos_sig = false);
2892 @end example
2893
2894 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2895 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2896 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2897 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2898 tensor):
2899
2900 @example
2901 @{
2902     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2903            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2904     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2905         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2906     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2907      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2908
2909     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2910     symbol A("A"), B("B");
2911     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2912     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2913      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2914     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2915     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2916      // -> 0
2917 @}
2918 @end example
2919
2920 @subsection Linear algebra
2921
2922 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2923 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2924 and scalar products):
2925
2926 @example
2927 @{
2928     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2929     symbol x("x"), y("y");
2930
2931     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2932     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2933     A = 1, 2,
2934         3, 4;
2935     X = x, y;
2936
2937     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2938      // -> 5
2939
2940     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2941     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2942      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2943
2944     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2945     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2946      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2947 @}
2948 @end example
2949
2950 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2951 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2952 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2953
2954 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2955 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2956 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2957 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2958
2959 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2960 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2961 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2962 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2963 of the metric tensor.
2964
2965
2966 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2967 @c    node-name, next, previous, up
2968 @section Non-commutative objects
2969
2970 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2971 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2972 physics:
2973
2974 @itemize
2975 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2976 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2977 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2978 @end itemize
2979
2980 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2981 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2982 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2983 @ref{Matrices}.
2984
2985 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2986 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2987 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2988 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2989 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2990 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2991 by their class. Consider this example:
2992
2993 @example
2994     ...
2995     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2996     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2997     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2998     cout << e << endl;
2999      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3000     ...
3001 @end example
3002
3003 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3004 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3005 together while preserving the order of factors within each class (because
3006 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3007 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3008 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3009 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3010
3011 @cindex @code{ncmul} (class)
3012 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3013 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3014 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3015 though.
3016
3017 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3018 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3019 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3020 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3021 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3022 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3023 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3024 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3025
3026 @cindex @code{return_type()}
3027 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3028 Information about the commutativity of an object or expression can be
3029 obtained with the two member functions
3030
3031 @example
3032 unsigned ex::return_type() const;
3033 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3034 @end example
3035
3036 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3037 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3038 expressions in GiNaC:
3039
3040 @itemize
3041 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3042   classes are of this kind.
3043 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3044   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3045   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3046   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3047   class.
3048 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3049   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3050   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3051   @code{noncommutative_composite} expressions.
3052 @end itemize
3053
3054 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3055 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3056 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3057 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3058
3059 Here are a couple of examples:
3060
3061 @cartouche
3062 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3063 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3064 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3065 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3066 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3067 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3068 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3069 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3070 @end multitable
3071 @end cartouche
3072
3073 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3074 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3075 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3076 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3077 for color objects.
3078
3079 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3080 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3081 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3082 non-commutative expressions).
3083
3084
3085 @cindex @code{clifford} (class)
3086 @subsection Clifford algebra
3087
3088
3089 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3090 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3091 mathematical). 
3092
3093 @cindex @code{dirac_gamma()}
3094 @subsubsection Dirac gamma matrices
3095 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3096 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3097 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3098 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3099 constructed by the function
3100
3101 @example
3102 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3103 @end example
3104
3105 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3106 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3107 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3108 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3109 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3110 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3111
3112 @cindex @code{dirac_ONE()}
3113 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3114
3115 @example
3116 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3117 @end example
3118
3119 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3120 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3121 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3122 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3123 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3124
3125 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3126 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3127 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3128 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3129
3130 @example
3131 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3132 @end example
3133
3134 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3135 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3136 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3137 objects, constructed by
3138
3139 @example
3140 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3141 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3142 @end example
3143
3144 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3145 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3146
3147 @cindex @code{dirac_slash()}
3148 Finally, the function
3149
3150 @example
3151 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3152 @end example
3153
3154 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3155 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3156 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3157 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3158
3159 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3160 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3161 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3162
3163 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3164 for example
3165
3166 @example
3167 @{
3168     ...
3169     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3170     varidx mu(symbol("mu"), D);
3171     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3172          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3173     cout << e << endl;
3174      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3175     e = e.simplify_indexed();
3176     cout << e << endl;
3177      // -> -D*a\+2*a\
3178     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3179      // -> -2*a\
3180     ...
3181 @}
3182 @end example
3183
3184 @cindex @code{dirac_trace()}
3185 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3186 you use one of the functions
3187
3188 @example
3189 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3190                const ex & trONE = 4);
3191 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3192 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3193 @end example
3194
3195 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3196 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3197 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3198 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3199 element, which defaults to 4.
3200
3201 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3202 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3203 functional is not cyclic in
3204 @tex $D \ne 4$
3205 @end tex
3206 dimensions when acting on
3207 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3208 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3209 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3210
3211 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3212 @tex $D \ne 4$
3213 @end tex
3214 dimensions:
3215
3216 @example
3217 @{
3218     // 4 dimensions
3219     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3220     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3221            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3222     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3223      // -> -8*eta~rho~nu
3224 @}
3225 ...
3226 @{
3227     // D dimensions
3228     symbol D("D");
3229     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3230     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3231            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3232     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3233      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3234 @}
3235 @end example
3236
3237 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3238 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3239 QED:
3240
3241 @example
3242 @{
3243     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3244     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3245
3246     scalar_products sp;
3247     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3248     sp.add(l, q, ldotq);
3249
3250     ex e = dirac_gamma(mu) *
3251            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3252            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3253            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3254     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3255     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3256     cout << e << endl;
3257      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3258 @}
3259 @end example
3260
3261 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3262 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3263 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3264
3265 @example
3266 @{
3267     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3268     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3269     cout << e << endl;
3270      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3271
3272     e = canonicalize_clifford(e);
3273     cout << e << endl;
3274      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3275 @}
3276 @end example
3277
3278 @cindex @code{clifford_unit()}
3279 @subsubsection A generic Clifford algebra
3280
3281 A generic Clifford algebra, i.e. a
3282 @tex
3283 $2^n$
3284 @end tex
3285 dimensional algebra with
3286 generators 
3287 @tex $e_k$
3288 @end tex 
3289 satisfying the identities 
3290 @tex
3291 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3292 @end tex
3293 @ifnottex
3294 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3295 @end ifnottex
3296 for some bilinear form (@code{metric})
3297 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3298 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3299 function 
3300
3301 @example
3302     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3303                                 bool anticommuting = false);    
3304 @end example
3305
3306 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3307 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3308 @code{idx} as well.
3309 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3310 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3311 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3312 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3313 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3314 @code{op(0)} will be used.
3315 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3316 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3317 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3318 assumption (i.e.
3319 @tex
3320 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3321 @end tex
3322 @ifnottex
3323 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3324 @end ifnottex
3325 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3326 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3327 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3328 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3329 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3330
3331 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3332 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3333 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3334 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3335 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3336 Clifford number.
3337 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3338 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3339 @code{anticommuting} property of a unit.
3340
3341 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3342 the Clifford algebra units with a call like that
3343
3344 @example
3345     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3346 @end example
3347
3348 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3349 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3350 automatically. 
3351
3352 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3353 ways. For example 
3354
3355 @example
3356 @{
3357     ... 
3358     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3359     realsymbol s("s");
3360     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3361     ex e = clifford_unit(nu, M);
3362     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3363     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3364     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3365     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3366     ...
3367 @}
3368 @end example
3369
3370 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3371 @tex
3372 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3373 @end tex
3374 @ifnottex
3375 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3376 @code{pow(e3, 2) = s}.
3377 @end ifnottex
3378
3379 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3380 A similar effect can be achieved from the function
3381
3382 @example
3383     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3384                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3385     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3386 @end example
3387
3388 which converts a list or vector 
3389 @tex
3390 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3391 @end tex
3392 @ifnottex
3393 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3394 @end ifnottex
3395 into the
3396 Clifford number 
3397 @tex
3398 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3399 @end tex
3400 @ifnottex
3401 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3402 @end ifnottex
3403 with @samp{e.k}
3404 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3405 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3406 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3407 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3408
3409 @example
3410 @{
3411     ...
3412     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3413     realsymbol s("s");
3414     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3415     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3416     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3417     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3418     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3419   ...
3420 @}
3421 @end example
3422
3423 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3424 There is the inverse function 
3425
3426 @example
3427     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3428 @end example
3429
3430 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3431 @tex
3432 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3433 @end tex
3434 @ifnottex
3435 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3436 @end ifnottex
3437 such that 
3438 @tex
3439 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3440 @end tex
3441 @ifnottex
3442 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3443 @end ifnottex
3444 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3445 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3446 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3447 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3448 @tex
3449 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3450 @end tex
3451 @ifnottex
3452 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3453 @end ifnottex
3454 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3455 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3456 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3457
3458 @cindex @code{clifford_prime()}
3459 @cindex @code{clifford_star()}
3460 @cindex @code{clifford_bar()}
3461 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3462
3463 @example
3464     ex clifford_prime(const ex & e)
3465     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3466     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3467 @end example
3468
3469 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3470 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3471 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3472 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3473 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3474 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3475 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3476 in a product. These functions correspond to the notations
3477 @math{e'},
3478 @tex
3479 $e^*$
3480 @end tex
3481 @ifnottex
3482 e*
3483 @end ifnottex
3484 and
3485 @tex
3486 $\overline{e}$
3487 @end tex
3488 @ifnottex
3489 @code{\bar@{e@}}
3490 @end ifnottex
3491 used in Clifford algebra textbooks.
3492
3493 @cindex @code{clifford_norm()}
3494 The function
3495
3496 @example
3497     ex clifford_norm(const ex & e);
3498 @end example
3499
3500 @cindex @code{clifford_inverse()}
3501 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3502 @tex
3503 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3504 @end tex
3505 @ifnottex
3506 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3507 @end ifnottex
3508  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3509
3510 @example
3511     ex clifford_inverse(const ex & e);
3512 @end example
3513
3514 which calculates it as 
3515 @tex
3516 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3517 @end tex
3518 @ifnottex
3519 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3520 @end ifnottex
3521  If
3522 @tex
3523 $||e|| = 0$
3524 @end tex
3525 @ifnottex
3526 @math{||e||=0}
3527 @end ifnottex
3528 then an exception is raised.
3529
3530 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3531 If a Clifford number happens to be a factor of
3532 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3533 expression by the function
3534
3535 @example
3536     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3537 @end example
3538
3539 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3540 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3541 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3542
3543 The next provided function is
3544
3545 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3546 @example
3547     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3548                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3549                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3550     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3551                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3552 @end example 
3553
3554 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3555 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3556 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3557 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3558 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3559 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are
3560 ignored even if supplied.  Depending from the type of @code{v} the
3561 returned value of this function is either a vector or a list holding vector's
3562 components.
3563
3564 @cindex @code{clifford_max_label()}
3565 Finally the function
3566
3567 @example
3568 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3569 @end example
3570
3571 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3572 such objects are found it returns the maximal
3573 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3574 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3575 be ignored during the search.
3576  
3577 LaTeX output for Clifford units looks like
3578 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3579 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3580 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3581 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3582 @example
3583     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3584 @end example
3585 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3586 @example
3587     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3588 @end example
3589 prints units with @code{representation_label=0} as 
3590 @tex
3591 $e$,
3592 @end tex
3593 @ifnottex
3594 @code{e},
3595 @end ifnottex
3596 with @code{representation_label=1} as 
3597 @tex
3598 $\tilde{e}$
3599 @end tex
3600 @ifnottex
3601 @code{\tilde@{e@}}
3602 @end ifnottex
3603  and with @code{representation_label=2} as 
3604 @tex
3605 $\breve{e}$.
3606 @end tex
3607 @ifnottex
3608 @code{\breve@{e@}}.
3609 @end ifnottex
3610
3611 @cindex @code{color} (class)
3612 @subsection Color algebra
3613
3614 @cindex @code{color_T()}
3615 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3616 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3617 elements @math{T_a} are constructed by the function
3618
3619 @example
3620 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3621 @end example
3622
3623 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3624 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3625 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3626 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3627 not @code{varidx}.
3628
3629 @cindex @code{color_ONE()}
3630 The unity element of a color algebra is constructed by
3631
3632 @example
3633 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3634 @end example
3635
3636 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3637 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3638 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3639 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3640 GiNaC may produce incorrect results.
3641
3642 @cindex @code{color_d()}
3643 @cindex @code{color_f()}
3644 The functions
3645
3646 @example
3647 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3648 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3649 @end example
3650
3651 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3652 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3653 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3654
3655 These functions evaluate to their numerical values,
3656 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3657 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3658 goes along better with the notations used in physical literature.
3659
3660 @cindex @code{color_h()}
3661 There's an additional function
3662
3663 @example
3664 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3665 @end example
3666
3667 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3668
3669 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3670 expressions containing color objects:
3671
3672 @example
3673 @{
3674     ...
3675     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3676         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3677
3678     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3680      // -> 0
3681
3682     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3684      // -> 5/3*delta.k.l
3685
3686     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3688      // -> 3*delta.k.l
3689
3690     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3692      // -> -32/3
3693
3694     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3695     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3696      // -> -2/3*T.a
3697
3698     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3699     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3700      // -> -8/9*ONE
3701
3702     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3703     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3704      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3705     ...
3706 @end example
3707
3708 @cindex @code{color_trace()}
3709 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3710 of the functions
3711
3712 @example
3713 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3714 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3715 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3716 @end example
3717
3718 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3719 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3720 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3721 example:
3722
3723 @example
3724     ...
3725     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3726     cout << e << endl;
3727      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3728 @}
3729 @end example
3730
3731
3732 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3733 @c    node-name, next, previous, up
3734 @section Hash Maps
3735 @cindex hash maps
3736 @cindex @code{exhashmap} (class)
3737
3738 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3739 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3740 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3741 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3742
3743 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3744 following differences:
3745
3746 @itemize @bullet
3747 @item
3748 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3749 @item
3750 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3751 @item 
3752 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3753 @item
3754 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3755 @code{ex_is_less}
3756 @item
3757 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3758 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3759 larger than the specified value)
3760 @item
3761 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3762 table
3763 @item 
3764 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3765 @end itemize
3766
3767
3768 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3769 @c    node-name, next, previous, up
3770 @chapter Methods and functions
3771 @cindex polynomial
3772
3773 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3774 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3775 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3776 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3777 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3778 example:
3779
3780 @example
3781     ...
3782     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3783     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3784     ...
3785 @end example
3786
3787 @cindex @code{subs()}
3788 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3789 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3790 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3791 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3792 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3793 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3794 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3795 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3796 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3797 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3798 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3799 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3800 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3801 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3802 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3803 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3804 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3805 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3806 avoided.
3807
3808 @menu
3809 * Information about expressions::
3810 * Numerical evaluation::
3811 * Substituting expressions::
3812 * Pattern matching and advanced substitutions::
3813 * Applying a function on subexpressions::
3814 * Visitors and tree traversal::
3815 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3816 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3817 * Symbolic differentiation::
3818 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3819 * Symmetrization::
3820 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3821 * Multiple polylogarithms::
3822 * Complex expressions::
3823 * Solving linear systems of equations::
3824 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3825 @end menu
3826
3827
3828 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3829 @c    node-name, next, previous, up
3830 @section Getting information about expressions
3831
3832 @subsection Checking expression types
3833 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3834 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3835 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3836 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3837 @cindex @code{info()}
3838 @cindex @code{return_type()}
3839 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3840
3841 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3842 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3843 GiNaC provides a couple of functions for this:
3844
3845 @example
3846 bool is_a<T>(const ex & e);
3847 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3848 bool ex::info(unsigned flag);
3849 unsigned ex::return_type() const;
3850 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3851 @end example
3852
3853 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3854 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3855 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3856 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3857
3858 @example
3859 @{
3860     @dots{}
3861     if (is_a<numeric>(e))
3862         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3863     @dots{}
3864 @}
3865 @end example
3866
3867 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3868 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3869 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3870 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3871
3872 @example
3873 @{
3874     symbol x("x");
3875     ex e1 = 42;
3876     ex e2 = 4*x - 3;
3877     is_a<numeric>(e1);  // true
3878     is_a<numeric>(e2);  // false
3879     is_a<add>(e1);      // false
3880     is_a<add>(e2);      // true
3881     is_a<mul>(e1);      // false
3882     is_a<mul>(e2);      // false
3883 @}
3884 @end example
3885
3886 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3887 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3888 class @samp{T}, not including parent classes.
3889
3890 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3891 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3892 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3893 table:
3894
3895 @cartouche
3896 @multitable @columnfractions .30 .70
3897 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3898 @item @code{numeric}
3899 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3900 @item @code{real}
3901 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3902 @item @code{rational}
3903 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3904 @item @code{integer}
3905 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3906 @item @code{crational}
3907 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3908 @item @code{cinteger}
3909 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3910 @item @code{positive}
3911 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3912 @item @code{negative}
3913 @tab @dots{}not complex and less than 0
3914 @item @code{nonnegative}
3915 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3916 @item @code{posint}
3917 @tab @dots{}an integer greater than 0
3918 @item @code{negint}
3919 @tab @dots{}an integer less than 0
3920 @item @code{nonnegint}
3921 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3922 @item @code{even}
3923 @tab @dots{}an even integer
3924 @item @code{odd}
3925 @tab @dots{}an odd integer
3926 @item @code{prime}
3927 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3928 @item @code{relation}
3929 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3930 @item @code{relation_equal}
3931 @tab @dots{}a @code{==} relation
3932 @item @code{relation_not_equal}
3933 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3934 @item @code{relation_less}
3935 @tab @dots{}a @code{<} relation
3936 @item @code{relation_less_or_equal}
3937 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3938 @item @code{relation_greater}
3939 @tab @dots{}a @code{>} relation
3940 @item @code{relation_greater_or_equal}
3941 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3942 @item @code{symbol}
3943 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3944 @item @code{list}
3945 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3946 @item @code{polynomial}
3947 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3948 @item @code{integer_polynomial}
3949 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3950 @item @code{cinteger_polynomial}
3951 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3952 @item @code{rational_polynomial}
3953 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3954 @item @code{crational_polynomial}
3955 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3956 @item @code{rational_function}
3957 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3958 @item @code{algebraic}
3959 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3960 @end multitable
3961 @end cartouche
3962
3963 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3964 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3965 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3966 for an explanation of these.
3967
3968
3969 @subsection Accessing subexpressions
3970 @cindex container
3971
3972 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3973 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3974 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3975 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3976
3977 @cindex @code{nops()}
3978 @cindex @code{op()}
3979 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3980 use the two methods
3981
3982 @example
3983 size_t ex::nops();
3984 ex ex::op(size_t i);
3985 @end example
3986
3987 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3988 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3989 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3990 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3991 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3992 @math{i>0} are the indices.
3993
3994 @cindex iterators
3995 @cindex @code{const_iterator}
3996 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3997 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3998
3999 @example
4000 const_iterator ex::begin();
4001 const_iterator ex::end();
4002 @end example
4003
4004 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4005 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4006 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4007 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4008
4009 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4010 given expression in three different ways:
4011
4012 @example
4013 @{
4014     ex e = ...
4015
4016     // with nops()/op()
4017     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4018         cout << e.op(i) << endl;
4019
4020     // with iterators
4021     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4022         cout << *i << endl;
4023
4024     // with iterators and STL copy()
4025     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4026 @}
4027 @end example
4028
4029 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4030 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4031 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4032 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4033 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4034 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4035 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4036 methods
4037
4038 @example
4039 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4040 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4041 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4042 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4043 @end example
4044
4045 The following example illustrates the differences between
4046 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4047 @code{const_postorder_iterator}:
4048
4049 @example
4050 @{
4051     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4052     ex e = lst(lst(A, B), C);
4053
4054     std::copy(e.begin(), e.end(),
4055               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4056     // @{A,B@}
4057     // C
4058
4059     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4060               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4061     // @{@{A,B@},C@}
4062     // @{A,B@}
4063     // A
4064     // B
4065     // C
4066
4067     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4068               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4069     // A
4070     // B
4071     // @{A,B@}
4072     // C
4073     // @{@{A,B@},C@}
4074 @}
4075 @end example
4076
4077 @cindex @code{relational} (class)
4078 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4079 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4080 methods
4081
4082 @example
4083 ex ex::lhs();
4084 ex ex::rhs();
4085 @end example
4086
4087
4088 @subsection Comparing expressions
4089 @cindex @code{is_equal()}
4090 @cindex @code{is_zero()}
4091
4092 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4093 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4094 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4095 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4096 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4097 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4098 @code{false}.
4099
4100 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4101 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4102 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4103
4104 There are also two methods
4105
4106 @example
4107 bool ex::is_equal(const ex & other);
4108 bool ex::is_zero();
4109 @end example
4110
4111 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4112 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4113 @pxref{Matrices}. 
4114
4115
4116 @subsection Ordering expressions
4117 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4118 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4119 @cindex @code{compare()}
4120
4121 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4122 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4123 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4124 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4125
4126 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4127 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4128 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4129 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4130 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4131 yield @code{true}.
4132
4133 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4134 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4135 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4136 predicates to the STL:
4137
4138 @example
4139 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4140 public:
4141     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4142 @};
4143
4144 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4145 public:
4146     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4147 @};
4148 @end example
4149
4150 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4151 have to use
4152
4153 @example
4154 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4155 @end example
4156
4157 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4158 bugs because the map operates improperly.
4159
4160 Other examples for the use of the functors:
4161
4162 @example
4163 std::vector<ex> v;
4164 // fill vector
4165 ...
4166
4167 // sort vector
4168 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4169
4170 // count the number of expressions equal to '1'
4171 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4172                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4173 @end example
4174
4175 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4176
4177 @example
4178 int ex::compare(const ex & other) const;
4179 @end example
4180
4181 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4182 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4183 after @code{other}.
4184
4185
4186 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4187 @c    node-name, next, previous, up
4188 @section Numerical evaluation
4189 @cindex @code{evalf()}
4190
4191 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4192 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4193
4194 @example
4195 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4196 @end example
4197
4198 @cindex @code{Digits}
4199 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4200 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4201 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4202
4203 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4204 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4205
4206 @example
4207 @{
4208     // Approximate sin(x/Pi)
4209     symbol x("x");
4210     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4211
4212     // Evaluate numerically at x=0.1
4213     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4214
4215     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4216     if (is_a<numeric>(f)) @{
4217         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4218         cout << d << endl;
4219          // -> 0.0318256
4220     @} else
4221         // error
4222 @}
4223 @end example
4224
4225
4226 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4227 @c    node-name, next, previous, up
4228 @section Substituting expressions
4229 @cindex @code{subs()}
4230
4231 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4232 expressions via the @code{.subs()} method:
4233
4234 @example
4235 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4236 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4237 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4238 @end example
4239
4240 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4241 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4242
4243 @example
4244 @{
4245     symbol x("x"), y("y");
4246
4247     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4248     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4249      // -> 73
4250
4251     ex e2 = x*y + x;
4252     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4253      // -> -10
4254 @}
4255 @end example
4256
4257 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4258 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4259
4260 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4261 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4262 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4263 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4264 be substituted is large or unknown.
4265
4266 Using this form, the second example from above would look like this:
4267
4268 @example
4269 @{
4270     symbol x("x"), y("y");
4271     ex e2 = x*y + x;
4272
4273     exmap m;
4274     m[x] = -2;
4275     m[y] = 4;
4276     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4277 @}
4278 @end example
4279
4280 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4281 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4282 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4283
4284 @example
4285 @{
4286     symbol x("x"), y("y");
4287     ex e2 = x*y + x;
4288
4289     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4290 @}
4291 @end example
4292
4293 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4294 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4295 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4296 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4297 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4298 algebraic substitutions in products and powers.
4299 @ref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4300 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4301 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4302 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4303 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4304 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4305
4306 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4307 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4308 following example:
4309
4310 @example
4311 @{
4312     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4313
4314     ex e1 = pow(x+y, 2);
4315     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4316      // -> 16
4317
4318     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4319     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4320      // -> cos(x)^2*sin(y)
4321
4322     ex e3 = x+y+z;
4323     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4324      // -> x+y+z
4325      // (and not 4+z as one might expect)
4326 @}
4327 @end example
4328
4329 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4330 next section.
4331
4332
4333 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4334 @c    node-name, next, previous, up
4335 @section Pattern matching and advanced substitutions
4336 @cindex @code{wildcard} (class)
4337 @cindex Pattern matching
4338
4339 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4340 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4341 substituting expressions in a more general way.
4342
4343 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4344 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4345 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4346 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4347 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4348 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4349 with the call
4350
4351 @example
4352 ex wild(unsigned label = 0);
4353 @end example
4354
4355 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4356 name.
4357
4358 Some examples for patterns:
4359
4360 @multitable @columnfractions .5 .5
4361 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4362 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4363 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4364 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4365 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4366 @end multitable
4367
4368 Notes:
4369
4370 @itemize
4371 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4372   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4373 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4374   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4375   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4376 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4377   possible to use them as placeholders for other properties like index
4378   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4379   etc.
4380 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4381   as part of noncommutative products.
4382 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4383   are also valid patterns.
4384 @end itemize
4385
4386 @subsection Matching expressions
4387 @cindex @code{match()}
4388 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4389 matches a given pattern. This is done by the function
4390
4391 @example
4392 bool ex::match(const ex & pattern);
4393 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4394 @end example
4395
4396 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4397 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4398 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4399 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4400 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4401 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4402 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4403 expressions by passing in the result of a previous match.
4404
4405 The matching algorithm works as follows:
4406
4407 @itemize
4408 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4409   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4410   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4411   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4412 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4413   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4414   etc.).
4415 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4416   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4417 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4418   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4419   of the pattern.
4420 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4421   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4422 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4423   match the corresponding subexpression of the pattern.
4424 @end itemize
4425
4426 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4427 account for their commutativity and associativity:
4428
4429 @itemize
4430 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4431   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4432   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4433   way.
4434 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4435   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4436   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4437   further matches.
4438 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4439   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4440   which case this wildcard matches the remaining terms.
4441 @end itemize
4442
4443 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4444 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4445 ambiguous results.
4446
4447 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4448 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4449 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4450
4451 @example
4452 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4453 @{@}
4454 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4455 FAIL
4456 > match((x+y)^a,$1^$2);
4457 @{$1==x+y,$2==a@}
4458 > match((x+y)^a,$1^$1);
4459 FAIL
4460 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4461 @{$1==x+y@}
4462 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4463 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4464 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4465 @{$1==a@}
4466 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4467 @{$1==c,$2==b@}
4468   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4469 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4470   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4471    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4472    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4473    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4474    fail.)
4475 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4476   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4477    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4478 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4479 FAIL
4480 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4481 @{$0==a+e+b+f+d@}
4482 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4483 @{$0==a+b+f+d@}
4484 > match(a+b,a+b+$0);
4485 @{$0==0@}
4486 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4487 FAIL
4488   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4489    even though a==a^1.)
4490 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4491 @{$0==x@}
4492 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4493 @{$0==x^2@}
4494 @end example
4495
4496 @subsection Matching parts of expressions
4497 @cindex @code{has()}
4498 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4499 member function
4500
4501 @example
4502 bool ex::has(const ex & pattern);
4503 @end example
4504
4505 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4506 by any of its subexpressions.
4507
4508 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4509 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4510
4511 @example
4512 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4513 1
4514 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4515 0
4516   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4517    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4518 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4519 1
4520   (But this is possible.)
4521 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4522 0
4523   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4524    which "x+y" is not a subexpression.)
4525 > has(x+1,x^$1);
4526 0
4527   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4528    "x^something".)
4529 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4530 1
4531 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4532 0
4533   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4534    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4535    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4536 @end example
4537
4538 @cindex @code{find()}
4539 The method
4540
4541 @example
4542 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4543 @end example
4544
4545 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4546 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4547 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4548 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4549 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4550
4551 @example
4552 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4553 @{x@}
4554 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4555 @{@}
4556 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4557 @{x^3,x^2@}
4558   (Note the absence of "x".)
4559 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4560 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4561 > find(%,sin($1));
4562 @{sin(y),sin(x)@}
4563 @end example
4564
4565 @subsection Substituting expressions
4566 @cindex @code{subs()}
4567 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4568 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4569 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4570 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4571 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4572
4573 Some examples:
4574
4575 @example
4576 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4577 b^3+a^3+(x+y)^3
4578 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4579 b^4+a^4+(x+y)^4
4580 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4581 (a+b+c)^2
4582 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4583 (x+c)^2
4584 > subs(a+2*b,a+b==x);
4585 a+2*b
4586 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4587 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4588 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4589 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4590 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4591 cos(1+cos(x))
4592 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4593 a+b
4594 @end example
4595
4596 The last example would be written in C++ in this way:
4597
4598 @example
4599 @{
4600     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4601     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4602     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4603     cout << e.expand() << endl;
4604      // -> a+b
4605 @}
4606 @end example
4607
4608 @subsection The option algebraic
4609 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4610 extra options. This section describes what happens if you give the former
4611 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4612 @code{subs:options::algebraic}. In that case the matching condition for
4613 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4614 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4615 If you use these options you will find that
4616 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4617 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4618 often as is possible without getting negative exponents. For example
4619 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4620 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4621 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4622 return @code{x^(-1)*c^2*z}. Note that this only works for multiplications
4623 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4624
4625
4626 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4627 @c    node-name, next, previous, up
4628 @section Applying a function on subexpressions
4629 @cindex tree traversal
4630 @cindex @code{map()}
4631
4632 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4633 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4634 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4635 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4636 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4637 to do this manually which usually results in code like this:
4638
4639 @example
4640 ex calc_trace(ex e)
4641 @{
4642     if (is_a<matrix>(e))
4643         return ex_to<matrix>(e).trace();
4644     else if (is_a<add>(e)) @{
4645         ex sum = 0;
4646         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4647             sum += calc_trace(e.op(i));
4648         return sum;
4649     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4650         ...
4651     @} else @{
4652         ...
4653     @}
4654 @}
4655 @end example
4656
4657 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4658 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4659 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4660 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4661 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4662
4663 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4664 operations:
4665
4666 @example
4667 ex ex::map(map_function & f) const;
4668 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4669 @end example
4670
4671 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4672 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4673 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4674 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4675 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4676 non-recursively.
4677
4678 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4679 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4680 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4681 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4682 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4683
4684 @example
4685 struct calc_trace : public map_function @{
4686     ex operator()(const ex &e)
4687     @{
4688         if (is_a<matrix>(e))
4689             return ex_to<matrix>(e).trace();
4690         else if (is_a<mul>(e)) @{
4691             ...
4692         @} else
4693             return e.map(*this);
4694     @}
4695 @};
4696 @end example
4697
4698 This function object could then be used like this:
4699
4700 @example
4701 @{
4702     ex M = ... // expression with matrices
4703     calc_trace do_trace;
4704     ex tr = do_trace(M);
4705 @}
4706 @end example
4707
4708 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4709 terms in a variable from an expanded polynomial:
4710
4711 @example
4712 struct map_rem_quad : public map_function @{
4713     ex var;
4714     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4715
4716     ex operator()(const ex & e)
4717     @{
4718         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4719             return e.map(*this);
4720         else if (is_a<power>(e) && 
4721                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4722             return 0;
4723         else
4724             return e;
4725     @}
4726 @};
4727
4728 ...
4729
4730 @{
4731     symbol x("x"), y("y");
4732
4733     ex e;
4734     for (int i=0; i<8; i++)
4735         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4736     cout << e << endl;
4737      // -> 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
4738
4739     map_rem_quad rem_quad(x);
4740     cout << rem_quad(e) << endl;
4741      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4742 @}
4743 @end example
4744
4745 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4746 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4747 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4748 acts as the placeholder for the operands:
4749
4750 @example
4751 > map(a*b,sin($0));
4752 sin(a)*sin(b)
4753 > map(a+2*b,sin($0));
4754 sin(a)+sin(2*b)
4755 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4756 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4757 @end example
4758
4759 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4760 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4761 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4762
4763 @example
4764 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4765 @{0,0,0@}
4766   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4767   to "map(@{a,b,c@},0)".
4768 @end example
4769
4770
4771 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4772 @c    node-name, next, previous, up
4773 @section Visitors and tree traversal
4774 @cindex tree traversal
4775 @cindex @code{visitor} (class)
4776 @cindex @code{accept()}
4777 @cindex @code{visit()}
4778 @cindex @code{traverse()}
4779 @cindex @code{traverse_preorder()}
4780 @cindex @code{traverse_postorder()}
4781
4782 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4783 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4784 indices with variance you always want the covariant version returned.
4785
4786 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4787 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4788 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4789 with variance, one for plain ones).
4790
4791 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4792 such as the following:
4793
4794 @example
4795 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4796 @{
4797     if (is_a<varidx>(e)) @{
4798         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4799         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4800     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4801         l.append(e);
4802     @} else @{
4803         size_t n = e.nops();
4804         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4805             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4806     @}
4807 @}
4808
4809 lst gather_indices(const ex & e)
4810 @{
4811     lst l;
4812     gather_indices_helper(e, l);
4813     l.sort();
4814     l.unique();
4815     return l;
4816 @}
4817 @end example
4818
4819 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4820 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4821 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4822
4823 @example
4824     if (is_a<idx>(e)) @{
4825       ...
4826     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4827       ...
4828 @end example
4829
4830 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4831 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4832 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4833 executed.
4834
4835 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4836 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4837 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4838 write a function that required a different implementation for nearly
4839 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4840
4841 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4842 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4843 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4844 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4845 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4846 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4847 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4848 presented this would be impractical.
4849
4850 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4851 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4852 variation, described in detail in
4853 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4854 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4855 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4856 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4857 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4858 object that @code{accept()} was being invoked on.
4859
4860 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4861 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4862 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4863 each class.
4864
4865 A call of
4866
4867 @example
4868 void ex::accept(visitor & v) const;
4869 @end example
4870
4871 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4872 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4873 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4874
4875 Here is an example of a visitor:
4876
4877 @example
4878 class my_visitor
4879  : public visitor,          // this is required
4880    public add::visitor,     // visit add objects
4881    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4882    public basic::visitor    // visit basic objects
4883 @{
4884     void visit(const add & x)
4885     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4886
4887     void visit(const numeric & x)
4888     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4889
4890     void visit(const basic & x)
4891     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4892 @};
4893 @end example
4894
4895 which can be used as follows:
4896
4897 @example
4898 ...
4899     symbol x("x");
4900     ex e1 = 42;
4901     ex e2 = 4*x-3;
4902     ex e3 = 8*x;
4903
4904     my_visitor v;
4905     e1.accept(v);
4906      // prints "called with a numeric object"
4907     e2.accept(v);
4908      // prints "called with an add object"
4909     e3.accept(v);
4910      // prints "called with a basic object"
4911 ...
4912 @end example
4913
4914 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4915 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4916
4917 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4918 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4919 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4920 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4921 hierarchies of visitors.
4922
4923 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4924
4925 @example
4926 class gather_indices_visitor
4927  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4928 @{
4929     lst l;
4930
4931     void visit(const idx & i)
4932     @{
4933         l.append(i);
4934     @}
4935
4936     void visit(const varidx & vi)
4937     @{
4938         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4939     @}
4940
4941 public:
4942     const lst & get_result() // utility function
4943     @{
4944         l.sort();
4945         l.unique();
4946         return l;
4947     @}
4948 @};
4949 @end example
4950
4951 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4952 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4953
4954 @example
4955 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4956 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4957 void ex::traverse(visitor & v) const;
4958 @end example
4959
4960 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4961 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4962 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4963 @code{traverse_preorder()}.
4964
4965 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4966 and @code{traverse()}:
4967
4968 @example
4969 lst gather_indices(const ex & e)
4970 @{
4971     gather_indices_visitor v;
4972     e.traverse(v);
4973     return v.get_result();
4974 @}
4975 @end example
4976
4977 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4978 traversal:
4979
4980 @example
4981 lst gather_indices(const ex & e)
4982 @{
4983     gather_indices_visitor v;
4984     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4985          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4986         i->accept(v);
4987     @}
4988     return v.get_result();
4989 @}
4990 @end example
4991
4992
4993 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
4994 @c    node-name, next, previous, up
4995 @section Polynomial arithmetic
4996
4997 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
4998 @cindex @code{is_polynomial()}
4999
5000 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5001 can be done with the method
5002 @example
5003 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5004 @end example
5005 In the case of more than
5006 one variable, the variables are given as a list.
5007
5008 @example
5009 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5010 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5011 @end example
5012
5013 @subsection Expanding and collecting
5014 @cindex @code{expand()}
5015 @cindex @code{collect()}
5016 @cindex @code{collect_common_factors()}
5017
5018 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5019 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5020 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5021 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5022 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5023 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5024 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5025 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5026 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5027 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5028 x*z}.
5029
5030 To bring an expression into expanded form, its method
5031
5032 @example
5033 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5034 @end example
5035
5036 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5037 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5038 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5039 orderings of terms in such sums!
5040
5041 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5042 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5043 being polynomials in the remaining variables.  The method
5044 @code{collect()} accomplishes this task:
5045
5046 @example
5047 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5048 @end example
5049
5050 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5051 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5052 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5053 by the @code{distributed} flag.
5054
5055 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5056 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5057 coefficients properly.
5058
5059 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5060 together with @code{find()}:
5061
5062 @example
5063 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5064 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)
5065 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5066 > collect(a,@{p,q@});
5067 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5068 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5069 > collect(a,find(a,sin($1)));
5070 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5071 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5072 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5073 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5074 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5075 @end example
5076
5077 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5078 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5079
5080 @example
5081 ex collect_common_factors(const ex & e);
5082 @end example
5083
5084 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5085 factors which are already explicitly present:
5086
5087 @example
5088 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5089 (x+y)*a
5090 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5091 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5092 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5093 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5094 @end example
5095
5096 @subsection Degree and coefficients
5097 @cindex @code{degree()}
5098 @cindex @code{ldegree()}
5099 @cindex @code{coeff()}
5100
5101 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5102 methods
5103
5104 @example
5105 int ex::degree(const ex & s);
5106 int ex::ldegree(const ex & s);
5107 @end example
5108
5109 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5110 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5111 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5112 an expanded polynomial you use
5113
5114 @example
5115 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5116 @end example
5117
5118 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5119
5120 @example
5121 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5122 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5123 @end example
5124
5125 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5126 respectively.
5127
5128 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5129 polynomial is analyzed:
5130
5131 @example
5132 @{
5133     symbol x("x"), y("y");
5134     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5135                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5136     ex Poly = PolyInp.expand();
5137     
5138     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5139         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5140              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5141     @}
5142     cout << "As polynomial in y: " 
5143          << Poly.collect(y) << endl;
5144 @}
5145 @end example
5146
5147 When run, it returns an output in the following fashion:
5148
5149 @example
5150 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5151 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5152 The x^2-coefficient is -1
5153 The x^3-coefficient is 4*y
5154 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5155 @end example
5156
5157 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5158 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5159 within the user's sphere of influence.
5160
5161 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5162 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5163 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5164 constants, functions and indexed objects as well:
5165
5166 @example
5167 @{
5168     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5169     idx i(symbol("i"), 3);
5170
5171     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5172     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5173      // -> 4
5174     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5175      // -> -4*cos(x)
5176
5177     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5178     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5179     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5180      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5181 @}
5182 @end example
5183
5184
5185 @subsection Polynomial division
5186 @cindex polynomial division
5187 @cindex quotient
5188 @cindex remainder
5189 @cindex pseudo-remainder
5190 @cindex @code{quo()}
5191 @cindex @code{rem()}
5192 @cindex @code{prem()}
5193 @cindex @code{divide()}
5194
5195 The two functions
5196
5197 @example
5198 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5199 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5200 @end example
5201
5202 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5203 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5204
5205 The additional function
5206
5207 @example
5208 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5209 @end example
5210
5211 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5212 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5213
5214 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5215
5216 @example
5217 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5218 @end example
5219
5220 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5221 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5222 in which case the value of @code{q} is undefined.
5223
5224
5225 @subsection Unit, content and primitive part
5226 @cindex @code{unit()}
5227 @cindex @code{content()}
5228 @cindex @code{primpart()}
5229 @cindex @code{unitcontprim()}
5230
5231 The methods
5232
5233 @example
5234 ex ex::unit(const ex & x);
5235 ex ex::content(const ex & x);
5236 ex ex::primpart(const ex & x);
5237 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5238 @end example
5239
5240 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5241 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5242 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5243 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5244 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5245 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5246 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5247 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5248
5249 Additionally, the method
5250
5251 @example
5252 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5253 @end example
5254
5255 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5256 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5257
5258
5259 @subsection GCD, LCM and resultant
5260 @cindex GCD
5261 @cindex LCM
5262 @cindex @code{gcd()}
5263 @cindex @code{lcm()}
5264
5265 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5266 multiple have the synopsis
5267
5268 @example
5269 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5270 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5271 @end example
5272
5273 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5274 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5275 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5276 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5277 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5278 the coefficients must be rationals.
5279
5280 @example
5281 #include <ginac/ginac.h>
5282 using namespace GiNaC;
5283
5284 int main()
5285 @{
5286     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5287     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5288     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5289
5290     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5291     // x + 5*y + 4*z
5292     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5293     // 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
5294 @}
5295 @end example
5296
5297 @cindex resultant
5298 @cindex @code{resultant()}
5299
5300 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5301 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5302 expressions. The function has the interface
5303
5304 @example
5305 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5306 @end example
5307
5308 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5309 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5310 @code{y}, respectively:
5311
5312 @example
5313 #include <ginac/ginac.h>
5314 using namespace GiNaC;
5315
5316 int main()
5317 @{
5318     symbol x("x"), y("y");
5319
5320     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5321     ex r;
5322     
5323     r = resultant(e1, e2, x); 
5324     // -> 1+2*y^6
5325     r = resultant(e1, e2, y); 
5326     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5327 @}
5328 @end example
5329
5330 @subsection Square-free decomposition
5331 @cindex square-free decomposition
5332 @cindex factorization
5333 @cindex @code{sqrfree()}
5334
5335 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5336 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5337 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5338 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5339 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5340 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5341 one, too:
5342 @example
5343 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5344 @end example
5345 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5346 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5347 some care with subsequent processing of the result:
5348 @example
5349     ...
5350     symbol x("x"), y("y");
5351     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5352
5353     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5354      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5355
5356     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5357      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5358
5359     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5360      // -> depending on luck, any of the above
5361     ...
5362 @end example
5363 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5364 with this method.
5365
5366
5367 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5368 @c    node-name, next, previous, up
5369 @section Rational expressions
5370
5371 @subsection The @code{normal} method
5372 @cindex @code{normal()}
5373 @cindex simplification
5374 @cindex temporary replacement
5375
5376 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5377 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5378 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5379 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5380 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5381 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5382
5383 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5384 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5385 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5386 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5387 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5388 @code{.to_rational()}, described below.
5389
5390 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5391 simplified in this little code snippet:
5392
5393 @example
5394 @{
5395     symbol x("x");
5396     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5397     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5398     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5399     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5400 @}
5401 @end example
5402
5403 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5404 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5405 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5406
5407
5408 @subsection Numerator and denominator
5409 @cindex numerator
5410 @cindex denominator
5411 @cindex @code{numer()}
5412 @cindex @code{denom()}
5413 @cindex @code{numer_denom()}
5414
5415 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5416
5417 @example
5418 ex ex::numer();
5419 ex ex::denom();
5420 ex ex::numer_denom();
5421 @end example
5422
5423 These functions will first normalize the expression as described above and
5424 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5425 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5426 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5427
5428
5429 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5430 @cindex @code{to_polynomial()}
5431 @cindex @code{to_rational()}
5432
5433 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5434 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5435 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5436 above. You do this by calling
5437
5438 @example
5439 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5440 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5441 @end example
5442 or
5443 @example
5444 ex ex::to_rational(exmap & m);
5445 ex ex::to_rational(lst & l);
5446 @end example
5447
5448 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5449 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5450 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5451 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5452 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5453 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5454
5455 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5456 is probably best illustrated with an example:
5457
5458 @example
5459 @{
5460     symbol x("x"), y("y");
5461     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5462     cout << a << endl;
5463
5464     lst lp;
5465     ex p = a.to_polynomial(lp);
5466     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5467      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5468      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5469
5470     lst lr;
5471     ex r = a.to_rational(lr);
5472     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5473      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5474      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5475 @}
5476 @end example
5477
5478 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5479
5480 @example
5481 @{
5482     symbol x("x");
5483     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5484     ex b = sin(x) + cos(x);
5485     ex q;
5486     exmap m;
5487     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5488     cout << q.subs(m) << endl;
5489 @}
5490 @end example
5491
5492
5493 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5494 @c    node-name, next, previous, up
5495 @section Symbolic differentiation
5496 @cindex differentiation
5497 @cindex @code{diff()}
5498 @cindex chain rule
5499 @cindex product rule
5500
5501 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5502 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5503 the derivatives of all the monomials:
5504
5505 @example
5506 @{
5507     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5508     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5509
5510     cout << P.diff(x,2) << endl;
5511      // -> 20*x^3 + 2
5512     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5513      // -> 1
5514     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5515      // -> 0
5516 @}
5517 @end example
5518
5519 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5520 returns the @var{n}th derivative.
5521
5522 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5523 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5524 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5525 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5526 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5527 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5528 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5529 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5530 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5531 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5532 lines:
5533
5534 @cindex Euler numbers
5535 @example
5536 #include <ginac/ginac.h>
5537 using namespace GiNaC;
5538
5539 ex EulerNumber(unsigned n)
5540 @{
5541     symbol x;
5542     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5543     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5544 @}
5545
5546 int main()
5547 @{
5548     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5549         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5550     return 0;
5551 @}
5552 @end example
5553
5554 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5555 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5556 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5557
5558
5559 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5560 @c    node-name, next, previous, up
5561 @section Series expansion
5562 @cindex @code{series()}
5563 @cindex Taylor expansion
5564 @cindex Laurent expansion
5565 @cindex @code{pseries} (class)
5566 @cindex @code{Order()}
5567
5568 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5569 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5570 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5571 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5572 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5573 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5574 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5575 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5576 term).  A sample application from special relativity could read:
5577
5578 @example
5579 #include <ginac/ginac.h>
5580 using namespace std;
5581 using namespace GiNaC;
5582
5583 int main()
5584 @{
5585     symbol v("v"), c("c");
5586     
5587     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5588     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5589     
5590     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5591          << mass_nonrel << endl;
5592     
5593     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5594          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5595 @}
5596 @end example
5597
5598 Only calling the series method makes the last output simplify to
5599 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5600 series raised to the power @math{-2}.
5601
5602 @cindex Machin's formula
5603 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5604 value of Archimedes' constant
5605 @tex
5606 $\pi$
5607 @end tex
5608 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5609 using John Machin's amazing formula
5610 @tex
5611 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5612 @end tex
5613 @ifnottex
5614 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5615 @end ifnottex
5616 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5617 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5618 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5619 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5620 order term with it and the question arises what the system is supposed
5621 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5622 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5623 term off:
5624
5625 @example
5626 #include <ginac/ginac.h>
5627 using namespace GiNaC;
5628
5629 ex machin_pi(int degr)
5630 @{
5631     symbol x;
5632     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5633     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5634                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5635     return pi_approx;
5636 @}
5637
5638 int main()
5639 @{
5640     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5641     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5642     ex pi_frac;
5643     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5644         pi_frac = machin_pi(i);
5645         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5646              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5647     @}
5648     return 0;
5649 @}
5650 @end example
5651
5652 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5653 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5654 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5655 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5656 program, it will type out:
5657
5658 @example
5659 2:      3804/1195
5660         3.1832635983263598326
5661 4:      5359397032/1706489875
5662         3.1405970293260603143
5663 6:      38279241713339684/12184551018734375
5664         3.141621029325034425
5665 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5666         3.141591772182177295
5667 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5668         3.1415926824043995174
5669 @end example
5670
5671
5672 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5673 @c    node-name, next, previous, up
5674 @section Symmetrization
5675 @cindex @code{symmetrize()}
5676 @cindex @code{antisymmetrize()}
5677 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5678
5679 The three methods
5680
5681 @example
5682 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5683 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5684 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5685 @end example
5686
5687 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5688 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5689 weighted by the number of permutations.
5690
5691 The three additional methods
5692
5693 @example
5694 ex ex::symmetrize();
5695 ex ex::antisymmetrize();
5696 ex ex::symmetrize_cyclic();
5697 @end example
5698
5699 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5700
5701 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5702 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5703
5704 @example
5705 @{
5706     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5707     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5708                                            
5709     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5710      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5711     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5712      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5713     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5714      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5715 @}
5716 @end example
5717
5718 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5719 @c    node-name, next, previous, up
5720 @section Predefined mathematical functions
5721 @c
5722 @subsection Overview
5723
5724 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5725
5726 @cartouche
5727 @multitable @columnfractions .30 .70
5728 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5729 @item @code{abs(x)}
5730 @tab absolute value
5731 @cindex @code{abs()}
5732 @item @code{step(x)}
5733 @tab step function
5734 @cindex @code{step()}
5735 @item @code{csgn(x)}
5736 @tab complex sign
5737 @cindex @code{conjugate()}
5738 @item @code{conjugate(x)}
5739 @tab complex conjugation
5740 @cindex @code{real_part()}
5741 @item @code{real_part(x)}
5742 @tab real part
5743 @cindex @code{imag_part()}
5744 @item @code{imag_part(x)}
5745 @tab imaginary part
5746 @item @code{sqrt(x)}
5747 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5748 @cindex @code{sqrt()}
5749 @item @code{sin(x)}
5750 @tab sine
5751 @cindex @code{sin()}
5752 @item @code{cos(x)}
5753 @tab cosine
5754 @cindex @code{cos()}
5755 @item @code{tan(x)}
5756 @tab tangent
5757 @cindex @code{tan()}
5758 @item @code{asin(x)}
5759 @tab inverse sine
5760 @cindex @code{asin()}
5761 @item @code{acos(x)}
5762 @tab inverse cosine
5763 @cindex @code{acos()}
5764 @item @code{atan(x)}
5765 @tab inverse tangent
5766 @cindex @code{atan()}
5767 @item @code{atan2(y, x)}
5768 @tab inverse tangent with two arguments
5769 @item @code{sinh(x)}
5770 @tab hyperbolic sine
5771 @cindex @code{sinh()}
5772 @item @code{cosh(x)}
5773 @tab hyperbolic cosine
5774 @cindex @code{cosh()}
5775 @item @code{tanh(x)}
5776 @tab hyperbolic tangent
5777 @cindex @code{tanh()}
5778 @item @code{asinh(x)}
5779 @tab inverse hyperbolic sine
5780 @cindex @code{asinh()}
5781 @item @code{acosh(x)}
5782 @tab inverse hyperbolic cosine
5783 @cindex @code{acosh()}
5784 @item @code{atanh(x)}
5785 @tab inverse hyperbolic tangent
5786 @cindex @code{atanh()}
5787 @item @code{exp(x)}
5788 @tab exponential function
5789 @cindex @code{exp()}
5790 @item @code{log(x)}
5791 @tab natural logarithm
5792 @cindex @code{log()}
5793 @item @code{Li2(x)}
5794 @tab dilogarithm
5795 @cindex @code{Li2()}
5796 @item @code{Li(m, x)}
5797 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5798 @cindex @code{Li()}
5799 @item @code{G(a, y)}
5800 @tab multiple polylogarithm
5801 @cindex @code{G()}
5802 @item @code{G(a, s, y)}
5803 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5804 @cindex @code{G()}
5805 @item @code{S(n, p, x)}
5806 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5807 @cindex @code{S()}
5808 @item @code{H(m, x)}
5809 @tab harmonic polylogarithm
5810 @cindex @code{H()}
5811 @item @code{zeta(m)}
5812 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5813 @cindex @code{zeta()}
5814 @item @code{zeta(m, s)}
5815 @tab alternating Euler sum
5816 @cindex @code{zeta()}
5817 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5818 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5819 @item @code{tgamma(x)}
5820 @tab gamma function
5821 @cindex @code{tgamma()}
5822 @cindex gamma function
5823 @item @code{lgamma(x)}
5824 @tab logarithm of gamma function
5825 @cindex @code{lgamma()}
5826 @item @code{beta(x, y)}
5827 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5828 @cindex @code{beta()}
5829 @item @code{psi(x)}
5830 @tab psi (digamma) function
5831 @cindex @code{psi()}
5832 @item @code{psi(n, x)}
5833 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5834 @item @code{factorial(n)}
5835 @tab factorial function @math{n!}
5836 @cindex @code{factorial()}
5837 @item @code{binomial(n, k)}
5838 @tab binomial coefficients
5839 @cindex @code{binomial()}
5840 @item @code{Order(x)}
5841 @tab order term function in truncated power series
5842 @cindex @code{Order()}
5843 @end multitable
5844 @end cartouche
5845
5846 @cindex branch cut
5847 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5848 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5849 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5850 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5851 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5852 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5853 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5854 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5855 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5856 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5857 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5858 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5859 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5860 compatible with C99.
5861
5862 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5863 @c    node-name, next, previous, up
5864 @subsection Multiple polylogarithms
5865
5866 @cindex polylogarithm
5867 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5868 @cindex harmonic polylogarithm
5869 @cindex multiple zeta value
5870 @cindex alternating Euler sum
5871 @cindex multiple polylogarithm
5872
5873 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5874 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5875 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5876 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5877 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5878 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5879 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5880 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5881 notations are more natural to the series representation or the integral
5882 representation, respectively.
5883
5884 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5885 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5886 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5887
5888 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5889 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5890 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5891 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5892 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5893 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5894 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5895 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5896 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5897 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5898 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5899
5900 The functions print in LaTeX format as
5901 @tex
5902 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5903 @end tex
5904 @tex
5905 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5906 @end tex
5907 @tex
5908 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5909 @end tex
5910 @tex
5911 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5912 @end tex
5913 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5914 are printed with a line above, e.g.
5915 @tex
5916 $\zeta(5,\overline{2})$.
5917 @end tex
5918 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5919
5920 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5921 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5922 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5923 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5924
5925 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5926 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5927 the series representation. This means
5928 @tex
5929 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5930 @end tex
5931 @tex
5932 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5933 @end tex
5934 @tex
5935 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5936 @end tex
5937 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5938 is reversed.
5939
5940 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5941 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5942 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5943 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5944 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5945 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5946 @tex
5947 $\zeta(\overline{3},4)$
5948 @end tex
5949 and
5950 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5951 @tex
5952 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5953 @end tex
5954 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5955 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5956 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
5957 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5958 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5959 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5960 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5961
5962 @example
5963 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5964 S(2,2,x)
5965 > H(@{-3,2@},1);
5966 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5967 > S(3,1,1);
5968 1/90*Pi^4
5969 @end example
5970
5971 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5972 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5973 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5974 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5975 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5976 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5977
5978 @example
5979 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5980 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5981 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5982 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5983 @end example
5984
5985 Every function can be numerically evaluated for
5986 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5987 global variable @code{Digits}:
5988
5989 @example
5990 > Digits=100;
5991 100
5992 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5993 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5994 @end example
5995
5996 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5997 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5998
5999 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6000 unevaluated, e.g.
6001 @tex
6002 $\zeta(1)$.
6003 @end tex
6004 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6005 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6006 cancellations of divergencies happen.
6007
6008 Useful publications:
6009
6010 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6011 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6012
6013 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6014 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6015
6016 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6017 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6018
6019 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6020 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6021
6022 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6023 @c    node-name, next, previous, up
6024 @section Complex expressions
6025 @c
6026 @cindex @code{conjugate()}
6027
6028 For dealing with complex expressions there are the methods
6029
6030 @example
6031 ex ex::conjugate();
6032 ex ex::real_part();
6033 ex ex::imag_part();
6034 @end example
6035
6036 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6037 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6038 for all built-in functinos and objects. Taking real and imaginary
6039 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6040 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6041 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6042 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6043 (symbols are complex by default), one could not simplify
6044 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6045 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6046
6047 For example,
6048 @example
6049 @{
6050     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6051     symbol x("x");
6052     realsymbol y("y");
6053                                            
6054     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6055      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6056     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6057      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6058 @}
6059 @end example
6060
6061 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6062 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6063 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6064 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6065 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6066 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6067
6068 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6069 @c    node-name, next, previous, up
6070 @section Solving linear systems of equations
6071 @cindex @code{lsolve()}
6072
6073 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6074 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6075 needs to be solved:
6076
6077 @example
6078 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6079           unsigned options = solve_algo::automatic);
6080 @end example
6081
6082 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6083 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6084 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6085 @code{lst}).
6086
6087 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6088 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6089
6090 @example
6091 @{
6092     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6093     lst eqns, vars;
6094     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6095     vars = x, y;
6096     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6097      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6098 @end example
6099
6100 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6101 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6102 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6103 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6104 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6105 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6106 around that method.
6107
6108
6109 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6110 @c    node-name, next, previous, up
6111 @section Input and output of expressions
6112 @cindex I/O
6113
6114 @subsection Expression output
6115 @cindex printing
6116 @cindex output of expressions
6117
6118 Expressions can simply be written to any stream:
6119
6120 @example
6121 @{
6122     symbol x("x");
6123     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6124     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6125     // ...
6126 @end example
6127
6128 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6129 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6130 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6131 is printed as @samp{x^2}).
6132
6133 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6134 a set of stream manipulators;
6135
6136 @example
6137 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6138 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6139 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6140 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6141 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6142 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6143 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6144 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6145 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6146 @end example
6147
6148 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6149 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6150 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6151
6152 @cindex @code{dflt}
6153 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6154 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6155
6156 @example
6157     // ...
6158     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6159                               // now on
6160     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6161     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6162     cout << dflt;             // revert to default output format
6163     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6164     // ...
6165 @end example
6166
6167 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6168 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6169
6170 @example
6171     // ...
6172     ostringstream s;
6173     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6174     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6175     // ...
6176 @end example
6177
6178 @cindex @code{csrc}
6179 @cindex @code{csrc_float}
6180 @cindex @code{csrc_double}
6181 @cindex @code{csrc_cl_N}
6182 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6183 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6184 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6185 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6186 classes provided by the CLN library):
6187
6188 @example
6189     // ...
6190     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6191     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6192     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6193     // ...
6194 @end example
6195
6196 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6197 @code{x*x}):
6198
6199 @example
6200 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6201 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6202 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6203 @end example
6204
6205 @cindex @code{tree}
6206 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6207 expression for debugging purposes:
6208
6209 @example
6210     // ...
6211     cout << tree << e;
6212 @}
6213 @end example
6214
6215 produces
6216
6217 @example
6218 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6219     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6220         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6221         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6222     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6223     -----
6224     overall_coeff
6225     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6226     =====
6227 @end example
6228
6229 @cindex @code{latex}
6230 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6231 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6232 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6233 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6234 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6235 constructor.
6236
6237 For example, the code snippet
6238
6239 @example
6240 @{
6241     symbol x("x", "\\circ");
6242     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6243     cout << latex << e << endl;
6244 @}
6245 @end example
6246
6247 will print
6248
6249 @example
6250     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6251     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6252 @end example
6253
6254 @cindex @code{index_dimensions}
6255 @cindex @code{no_index_dimensions}
6256 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6257 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6258 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6259 formats:
6260
6261 @example
6262 @{
6263     symbol x("x"), y("y");
6264     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6265     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6266
6267     cout << e << endl;
6268      // prints 'x~mu*y~nu'
6269     cout << index_dimensions << e << endl;
6270      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6271     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6272      // prints 'x~mu*y~nu'
6273 @}
6274 @end example
6275
6276
6277 @cindex Tree traversal
6278 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6279 with other algebra systems or for producing code for different
6280 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6281
6282 @example
6283 static void my_print(const ex & e)
6284 @{
6285     if (is_a<function>(e))
6286         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6287     else
6288         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6289     cout << "(";
6290     size_t n = e.nops();
6291     if (n)
6292         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6293             my_print(e.op(i));
6294             if (i != n-1)
6295                 cout << ",";
6296         @}
6297     else
6298         cout << e;
6299     cout << ")";
6300 @}
6301
6302 int main()
6303 @{
6304     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6305     return 0;
6306 @}
6307 @end example
6308
6309 This will produce
6310
6311 @example
6312 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6313 symbol(y))),numeric(-2)))
6314 @end example
6315
6316 If you need an output format that makes it possible to accurately
6317 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6318 object factory, you should consider storing the expression in an
6319 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6320 See the section on archiving for more information.
6321
6322
6323 @subsection Expression input
6324 @cindex input of expressions
6325
6326 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6327 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6328 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6329 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6330 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6331
6332 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6333 list of symbols to be used:
6334
6335 @example
6336 @{
6337     symbol x("x"), y("y");
6338     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6339 @}
6340 @end example
6341
6342 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6343 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6344 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6345 the list it will throw an exception.
6346
6347 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6348
6349 @example
6350 #include <iostream>
6351 #include <string>
6352 #include <stdexcept>
6353 #include <ginac/ginac.h>
6354 using namespace std;
6355 using namespace GiNaC;
6356
6357 int main()
6358 @{
6359     symbol x("x");
6360     string s;
6361
6362     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6363     getline(cin, s);
6364
6365     try @{
6366         ex e(s, lst(x));
6367         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6368         cout << e.diff(x) << ".\n";
6369     @} catch (exception &p) @{
6370         cerr << p.what() << endl;
6371     @}
6372 @}
6373 @end example
6374
6375
6376 @subsection Archiving
6377 @cindex @code{archive} (class)
6378 @cindex archiving
6379
6380 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6381 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6382 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6383 expression a unique name:
6384
6385 @example
6386 #include <fstream>
6387 using namespace std;
6388 #include <ginac/ginac.h>
6389 using namespace GiNaC;
6390
6391 int main()
6392 @{
6393     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6394
6395     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6396     ex bar = foo + 1;
6397
6398     archive a;
6399     a.archive_ex(foo, "foo");
6400     a.archive_ex(bar, "the second one");
6401     // ...
6402 @end example
6403
6404 The archive can then be written to a file:
6405
6406 @example
6407     // ...
6408     ofstream out("foobar.gar");
6409     out << a;
6410     out.close();
6411     // ...
6412 @end example
6413
6414 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6415 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6416
6417 @cindex @command{viewgar}
6418 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6419 the contents of GiNaC archive files:
6420
6421 @example
6422 $ viewgar foobar.gar
6423 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6424 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6425 @end example
6426
6427 The point of writing archive files is of course that they can later be
6428 read in again:
6429
6430 @example
6431     // ...
6432     archive a2;
6433     ifstream in("foobar.gar");
6434     in >> a2;
6435     // ...
6436 @end example
6437
6438 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6439
6440 @example
6441     // ...
6442     lst syms;
6443     syms = x, y;
6444
6445     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6446     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6447
6448     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6449     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6450     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6451 @}
6452 @end example
6453
6454 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6455 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6456 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6457 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6458 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6459 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6460 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6461 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6462
6463 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6464 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6465 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6466 functions that let you access the stored properties:
6467
6468 @example
6469 static void my_print2(const archive_node & n)
6470 @{
6471     string class_name;
6472     n.find_string("class", class_name);
6473     cout << class_name << "(";
6474
6475     archive_node::propinfovector p;
6476     n.get_properties(p);
6477
6478     size_t num = p.size();
6479     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6480         const string &name = p[i].name;
6481         if (name == "class")
6482             continue;
6483         cout << name << "=";
6484
6485         unsigned count = p[i].count;
6486         if (count > 1)
6487             cout << "@{";
6488
6489         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6490             switch (p[i].type) @{
6491                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6492                     bool x;
6493                     n.find_bool(name, x, j);
6494                     cout << (x ? "true" : "false");
6495                     break;
6496                 @}
6497                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6498                     unsigned x;
6499                     n.find_unsigned(name, x, j);
6500                     cout << x;
6501                     break;
6502                 @}
6503                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6504                     string x;
6505                     n.find_string(name, x, j);
6506                     cout << '\"' << x << '\"';
6507                     break;
6508                 @}
6509                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6510                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6511                     my_print2(x);
6512                     break;
6513                 @}
6514             @}
6515
6516             if (j != count-1)
6517                 cout << ",";
6518         @}
6519
6520         if (count > 1)
6521             cout << "@}";
6522
6523         if (i != num-1)
6524             cout << ",";
6525     @}
6526
6527     cout << ")";
6528 @}
6529
6530 int main()
6531 @{
6532     ex e = pow(2, x) - y;
6533     archive ar(e, "e");
6534     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6535     return 0;
6536 @}
6537 @end example
6538
6539 This will produce:
6540
6541 @example
6542 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6543 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6544 overall_coeff=numeric(number="0"))
6545 @end example
6546
6547 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6548 class may change between GiNaC versions.
6549
6550
6551 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6552 @c    node-name, next, previous, up
6553 @chapter Extending GiNaC
6554
6555 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6556 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6557 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6558 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6559 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6560 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6561
6562 @menu
6563 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6564 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6565 * Printing::                         Adding new output formats.
6566 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6567 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6568 @end menu
6569
6570
6571 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6572 @c    node-name, next, previous, up
6573 @section What doesn't belong into GiNaC
6574
6575 @cindex @command{ginsh}
6576 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6577 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6578 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6579 language.  There are no loops or conditional expressions in
6580 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6581 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6582 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6583 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6584 the future.
6585
6586 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6587 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6588 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6589 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6590 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6591 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6592 provided by CLN are much better suited.
6593
6594
6595 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6596 @c    node-name, next, previous, up
6597 @section Symbolic functions
6598
6599 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6600 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6601 two preprocessor macros:
6602
6603 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6604 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6605 @example
6606 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6607 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6608 @end example
6609
6610 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6611 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6612 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6613 @code{function} object that represents your function.
6614
6615 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6616 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6617 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6618 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6619 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6620 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6621 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6622 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6623
6624 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6625 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6626 done our best to avoid macros where we can.)
6627
6628 @subsection A minimal example
6629
6630 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6631 that is not further evaluated:
6632
6633 @example
6634 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6635
6636 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6637 @end example
6638
6639 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6640 in algebraic expressions:
6641
6642 @example
6643 @{
6644     ...
6645     symbol x("x");
6646     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6647     cout << e << endl;
6648      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6649     ...
6650 @}
6651 @end example
6652
6653 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6654 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6655 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6656 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6657
6658 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6659 example of how to make an "intelligent" function.
6660
6661 @subsection The cosine function
6662
6663 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6664
6665 @example
6666 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6667 @end example
6668
6669 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6670 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6671 this function in expressions.
6672
6673 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6674 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6675
6676 @example
6677 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6678                        evalf_func(cos_evalf).
6679                        derivative_func(cos_deriv).
6680                        latex_name("\\cos"));
6681 @end example
6682
6683 There are four options defined for the cosine function. One of them
6684 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6685 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6686 function are defined.
6687
6688 @cindex @code{hold()}
6689 @cindex evaluation
6690 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6691 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6692 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6693 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6694 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6695 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6696 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6697 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6698 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6699 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6700 somewhere.
6701
6702 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6703 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6704 what is going on):
6705
6706 @example
6707 static ex cos_eval(const ex & x)
6708 @{
6709     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6710         return 1;
6711     else if ("x is a multiple of Pi")
6712         return -1;
6713     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6714         return 0;
6715     // more rules...
6716
6717     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6718         return y;
6719     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6720         return sqrt(1-y^2);
6721     // more rules...
6722
6723     else
6724         return cos(x).hold();
6725 @}
6726 @end example
6727
6728 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6729
6730 @example
6731 @{
6732     ...
6733     e = cos(Pi);
6734      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6735      // the actual expression
6736     cout << e << endl;
6737      // prints '-1'
6738     ...
6739 @}
6740 @end example
6741
6742 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6743 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6744 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6745 with @code{.hold()}.
6746
6747 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6748 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6749 different function:
6750
6751 @example
6752 static ex cos_evalf(const ex & x)
6753 @{
6754     if (is_a<numeric>(x))
6755         return cos(ex_to<numeric>(x));
6756     else
6757         return cos(x).hold();
6758 @}
6759 @end example
6760
6761 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6762 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6763 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6764 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6765 function would require it in this place.
6766
6767 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6768 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6769 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6770 @code{ex::diff}):
6771
6772 @example
6773 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6774 @{
6775     return -sin(x);
6776 @}
6777 @end example
6778
6779 @cindex product rule
6780 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6781 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6782 case the function has more than one parameter, and its main application
6783 is for correct handling of the chain rule.
6784
6785 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6786 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6787 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6788 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6789
6790 @example
6791 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6792                      int order, unsigned options)
6793 @{
6794     // Find the actual expansion point
6795     const ex x_pt = x.subs(rel);
6796
6797     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6798         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6799
6800     // On a pole, expand sin()/cos()
6801     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6802 @}
6803 @end example
6804
6805 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6806 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6807
6808 @subsection Function options
6809
6810 GiNaC functions understand several more options which are always
6811 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6812 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6813 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6814 functions without any special options.
6815
6816 @example
6817 eval_func(<C++ function>)
6818 evalf_func(<C++ function>)
6819 derivative_func(<C++ function>)
6820 series_func(<C++ function>)
6821 conjugate_func(<C++ function>)
6822 @end example
6823
6824 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6825 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6826 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6827 @code{diff()} and @code{series()}.
6828
6829 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6830 automatic evaluation is desired or possible.
6831
6832 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6833 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6834 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6835 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6836 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6837 suitable transformation.
6838
6839 @example
6840 latex_name(const string & n)
6841 @end example
6842
6843 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6844 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6845
6846 @example
6847 do_not_evalf_params()
6848 @end example
6849
6850 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6851 function before calling the @code{evalf_func()}.
6852
6853 @example
6854 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6855 @end example
6856
6857 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6858 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6859 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6860 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6861 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6862 commutation properties of their first argument.
6863
6864 @example
6865 set_symmetry(const symmetry & s)
6866 @end example
6867
6868 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6869 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6870 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6871 symmetric functions into a canonical order.
6872
6873 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6874 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6875 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6876 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6877 with the
6878
6879 @example
6880 print_func<C>(<C++ function>)
6881 @end example
6882
6883 option which is explained in the next section.
6884
6885 @subsection Functions with a variable number of arguments
6886
6887 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6888 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6889 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6890 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6891 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6892
6893 It is also possible to define functions that accept a different number of
6894 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6895 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6896 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6897 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6898 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6899 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6900 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6901 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6902
6903
6904 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6905 @c    node-name, next, previous, up
6906 @section GiNaC's expression output system
6907
6908 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6909 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
6910 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6911 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6912 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6913 functions.
6914
6915 @cindex @code{print_context} (class)
6916 @cindex @code{print_dflt} (class)
6917 @cindex @code{print_latex} (class)
6918 @cindex @code{print_tree} (class)
6919 @cindex @code{print_csrc} (class)
6920 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6921 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6922 header file:
6923
6924 @table @code
6925 @item print_dflt
6926 the default output format
6927 @item print_latex
6928 output in LaTeX mathematical mode
6929 @item print_tree
6930 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6931 @item print_csrc
6932 the base class for C source output
6933 @item print_csrc_float
6934 C source output using the @code{float} type
6935 @item print_csrc_double
6936 C source output using the @code{double} type
6937 @item print_csrc_cl_N
6938 C source output using CLN types
6939 @end table
6940
6941 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6942
6943 @example
6944 class print_context
6945 @{
6946     ...
6947 public:
6948     std::ostream & s;
6949     unsigned options;
6950 @};
6951 @end example
6952
6953 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6954 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6955 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6956 to print the index dimension which is normally hidden.
6957
6958 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6959 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6960 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6961 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6962
6963 @cindex @code{print()}
6964 @example
6965 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6966 @end example
6967
6968 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6969 top-level algebraic object contained in the expression.
6970
6971 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6972 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6973 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6974 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6975 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6976 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6977 (single) virtual function dispatch.
6978
6979 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6980 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6981 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6982 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6983 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6984 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6985 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6986 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6987 object's class name enclosed in square brackets).
6988
6989 You can think of the print methods of all the different classes and output
6990 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6991 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6992 classes.
6993
6994 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6995 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6996 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6997 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6998 methods at run-time).
6999
7000 @subsection Print methods for classes
7001
7002 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7003 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7004 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7005 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7006 can also be used to override existing methods dynamically.
7007
7008 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7009 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7010 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7011 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7012 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7013 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7014 the class is the one being implemented by
7015 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7016
7017 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7018 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7019 @code{unsigned}.
7020
7021 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7022 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7023 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7024 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7025 private and protected members of @code{T}.
7026
7027 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7028 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7029 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7030 purposes if you write your own output formats.
7031
7032 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7033 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7034 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7035 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7036
7037 @example
7038 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7039                              const print_latex & c,
7040                              unsigned level)
7041 @{
7042     // get the precedence of the 'power' class
7043     unsigned power_prec = p.precedence();
7044
7045     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7046     // we need parentheses around the power
7047     if (level >= power_prec)
7048         c.s << '(';
7049
7050     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7051     // separated by an uparrow
7052     c.s << '@{';
7053     p.op(0).print(c, power_prec);
7054     c.s << "@}\\uparrow@{";
7055     p.op(1).print(c, power_prec);
7056     c.s << '@}';
7057
7058     // don't forget the closing parenthesis
7059     if (level >= power_prec)
7060         c.s << ')';
7061 @}
7062                                                                                 
7063 int main()
7064 @{
7065     // a sample expression
7066     symbol x("x"), y("y");
7067     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7068
7069     // switch to LaTeX mode
7070     cout << latex;
7071
7072     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7073     cout << e << endl;
7074
7075     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7076     // our own one
7077     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7078
7079     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7080     //              \uparrow@{2@}@}"
7081     cout << e << endl;
7082 @}
7083 @end example
7084
7085 Some notes:
7086
7087 @itemize
7088
7089 @item
7090 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7091 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7092
7093 @item
7094 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7095 @code{power} objects for the purpose of printing.
7096
7097 @item
7098 The output of products including negative powers as fractions is also
7099 controlled by the @code{mul} class.
7100
7101 @item
7102 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7103 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7104
7105 @end itemize
7106
7107 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7108 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7109 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7110 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7111 sources, find the method that is installed at startup
7112 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7113 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7114
7115 @subsection Print methods for functions
7116
7117 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7118 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7119 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7120 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7121 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7122
7123 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7124
7125 @example
7126 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7127 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7128                                                                                 
7129 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7130 @{
7131     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7132 @}
7133                                                                                 
7134 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7135 @{
7136     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7137 @}
7138                                                                                 
7139 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7140                        evalf_func(abs_evalf).
7141                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7142                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7143                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7144 @end example
7145
7146 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7147 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7148
7149 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7150
7151 @subsection Adding new output formats
7152
7153 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7154 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7155 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7156 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7157 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7158 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7159 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7160 options value.
7161
7162 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7163
7164 @example
7165 class print_myformat : public print_dflt
7166 @{
7167     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7168 public:
7169     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7170      : print_dflt(os, opt) @{@}
7171 @};
7172
7173 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7174
7175 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7176 @end example
7177
7178 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7179 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7180 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7181 format are implemented as print methods, as described above.
7182
7183 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7184 exactly like GiNaC's default output format:
7185
7186 @example
7187 @{
7188     symbol x("x");
7189     ex e = pow(x, 2) + 1;
7190
7191     // this prints "1+x^2"
7192     cout << e << endl;
7193     
7194     // this also prints "1+x^2"
7195     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7196
7197     ...
7198 @}
7199 @end example
7200
7201 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7202 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7203
7204 @example
7205 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7206 // example above for explanations.
7207 void print_power_as_myformat(const power & p,
7208                              const print_myformat & c,
7209                              unsigned level)
7210 @{
7211     unsigned power_prec = p.precedence();
7212     if (level >= power_prec)
7213         c.s << '(';
7214     p.op(0).print(c, power_prec);
7215     c.s << "**";
7216     p.op(1).print(c, power_prec);
7217     if (level >= power_prec)
7218         c.s << ')';
7219 @}
7220
7221 @{
7222     ...
7223     // install a new print method for power objects
7224     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7225
7226     // now this prints "1+x**2"
7227     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7228
7229     // but the default format is still "1+x^2"
7230     cout << e << endl;
7231 @}
7232 @end example
7233
7234
7235 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7236 @c    node-name, next, previous, up
7237 @section Structures
7238
7239 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7240 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7241 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7242 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7243 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7244
7245 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7246 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7247 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7248 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7249 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7250 read both sections because many common concepts and member functions are
7251 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7252 is most suited to your needs.
7253
7254 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7255 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7256 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7257
7258 @subsection Example: scalar products
7259
7260 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7261 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7262 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7263 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7264 product in a C++ @code{struct}:
7265
7266 @example
7267 #include <iostream>
7268 using namespace std;
7269
7270 #include <ginac/ginac.h>
7271 using namespace GiNaC;
7272
7273 struct sprod_s @{
7274     ex left, right;
7275
7276     sprod_s() @{@}
7277     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7278 @};
7279 @end example
7280
7281 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7282 data structure, we need only one line:
7283
7284 @example
7285 typedef structure<sprod_s> sprod;
7286 @end example
7287
7288 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7289 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7290 expressions like any other GiNaC class:
7291
7292 @example
7293 ...
7294     symbol a("a"), b("b");
7295     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7296 ...
7297 @end example
7298
7299 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7300 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7301 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7302 constructed from an @code{sprod_s} object.
7303
7304 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7305 you could define a little wrapper function like this:
7306
7307 @example
7308 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7309 @{
7310     return sprod(sprod_s(left, right));
7311 @}
7312 @end example
7313
7314 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7315 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7316 @code{get_struct()}:
7317
7318 @example
7319 ...
7320     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7321      // -> a
7322     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7323      // -> b
7324 ...
7325 @end example
7326
7327 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7328
7329 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7330 that deal with scalar products, for example:
7331
7332 @example
7333 ex swap_sprod(ex p)
7334 @{
7335     if (is_a<sprod>(p)) @{
7336         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7337         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7338     @} else
7339         return p;
7340 @}
7341
7342 ...
7343     f = swap_sprod(e);
7344      // f is now <b|a>
7345 ...
7346 @end example
7347
7348 @subsection Structure output
7349
7350 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7351 desired, most notably proper output:
7352
7353 @example
7354 ...
7355     cout << e << endl;
7356      // -> [structure object]
7357 ...
7358 @end example
7359
7360 By default, any structure types you define will be printed as
7361 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7362 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7363 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7364 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7365 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7366 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7367
7368 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7369 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7370
7371 @example
7372 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7373 @{
7374     // tree debug output handled by superclass
7375     if (is_a<print_tree>(c))
7376         inherited::print(c, level);
7377
7378     // get the contained sprod_s object
7379     const sprod_s & sp = get_struct();
7380
7381     // print_context::s is a reference to an ostream
7382     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7383 @}
7384 @end example
7385
7386 Now we can print expressions containing scalar products:
7387
7388 @example
7389 ...
7390     cout << e << endl;
7391      // -> <a|b>
7392     cout << swap_sprod(e) << endl;
7393      // -> <b|a>
7394 ...
7395 @end example
7396
7397 @subsection Comparing structures
7398
7399 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7400 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7401 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7402 and undesired behavior:
7403
7404 @example
7405 ...
7406     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7407      // -> 0
7408     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7409      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7410 ...
7411 @end example
7412
7413 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7414 for objects of type @code{sprod_s}:
7415
7416 @example
7417 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7418 @{
7419     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7420 @}
7421
7422 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7423 @{
7424     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7425            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7426 @}
7427 @end example
7428
7429 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7430 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7431 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7432 in the implementation of these operators because they would construct
7433 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7434 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7435 decide which one is algebraically 'less').
7436
7437 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7438 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7439
7440 @example
7441 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7442 @end example
7443
7444 @code{sprod} objects then behave as expected:
7445
7446 @example
7447 ...
7448     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7449      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7450     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7451      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7452     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7453      // -> 0
7454     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7455      // -> 2*<a|b>
7456 ...
7457 @end example
7458
7459 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7460 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7461 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7462 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7463 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7464 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7465
7466 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7467 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7468 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7469 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7470 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7471 undefined value) that the @code{T} class might have.
7472
7473 @subsection Subexpressions
7474
7475 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7476 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7477 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7478
7479 @example
7480 size_t sprod::nops() const
7481 @{
7482     return 2;
7483 @}
7484
7485 ex sprod::op(size_t i) const
7486 @{
7487     switch (i) @{
7488     case 0:
7489         return get_struct().left;
7490     case 1:
7491         return get_struct().right;
7492     default:
7493         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7494     @}
7495 @}
7496 @end example
7497
7498 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7499 @code{sprod} has two other nice side effects:
7500
7501 @itemize @bullet
7502 @item
7503 @code{has()} works as expected
7504 @item
7505 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7506 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7507 @end itemize
7508
7509 @cindex @code{let_op()}
7510 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7511 allows replacing subexpressions:
7512
7513 @example
7514 ex & sprod::let_op(size_t i)
7515 @{
7516     // every non-const member function must call this
7517     ensure_if_modifiable();
7518
7519     switch (i) @{
7520     case 0:
7521         return get_struct().left;
7522     case 1:
7523         return get_struct().right;
7524     default:
7525         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7526     @}
7527 @}
7528 @end example
7529
7530 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7531 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7532 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7533 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7534
7535 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7536 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7537 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7538 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7539 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7540 This is left as an exercise for the reader.
7541
7542 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7543 you can override by specialization to customize the behavior of your
7544 structures. You are referred to the next section for a description of
7545 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7546 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7547 @code{structure<T>} template: archiving.
7548
7549 @subsection Archiving structures
7550
7551 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7552 should first read the next section and then come back here. You're back?
7553 Good.
7554
7555 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7556 specializations for the @code{archive()} member function and the
7557 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7558 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7559 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7560 the class of an object is stored as a string, the class name.
7561
7562 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7563 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7564 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7565 need to provide a different name for each by specializing the
7566 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7567 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7568
7569 @example
7570 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7571
7572 void sprod::archive(archive_node & n) const
7573 @{
7574     inherited::archive(n);
7575     n.add_ex("left", get_struct().left);
7576     n.add_ex("right", get_struct().right);
7577 @}
7578
7579 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7580 @{
7581     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7582     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7583 @}
7584 @end example
7585
7586 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7587 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7588 @code{sprod::unarchive()} function.
7589
7590
7591 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7592 @c    node-name, next, previous, up
7593 @section Adding classes
7594
7595 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7596 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7597 severe of which being that you can't add any new member functions to
7598 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7599 from scratch.
7600
7601 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7602 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7603 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7604 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7605 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7606 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7607 representing tensor products is more involved but this section should give
7608 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7609 classes if you want to implement something more complicated.
7610
7611 @subsection GiNaC's run-time type information system
7612
7613 @cindex hierarchy of classes
7614 @cindex RTTI
7615 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7616 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7617 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7618 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7619 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7620 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7621 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7622 system that provides this kind of information is called a run-time type
7623 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7624 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7625 implements its own, simpler RTTI.
7626
7627 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7628
7629 @itemize @bullet
7630
7631 @item
7632 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7633 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7634 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7635 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7636
7637 @item
7638 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7639 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7640 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7641 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7642 @file{registrar.h} header file.
7643
7644 @end itemize
7645
7646 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7647 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7648 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7649 macros.
7650
7651 @subsection A minimalistic example
7652
7653 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7654 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7655 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7656 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7657 for your own classes.
7658
7659 The code snippets given here assume that you have included some header files
7660 as follows:
7661
7662 @example
7663 #include <iostream>
7664 #include <string>   
7665 #include <stdexcept>
7666 using namespace std;
7667
7668 #include <ginac/ginac.h>
7669 using namespace GiNaC;
7670 @end example
7671
7672 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7673 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7674 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7675 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7676 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7677 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7678
7679 @example
7680 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7681 @end example
7682
7683 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7684 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7685 object from a C or C++ string:
7686
7687 @example
7688 class mystring : public basic
7689 @{
7690     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7691   
7692 public:
7693     mystring(const string &s);
7694     mystring(const char *s);
7695
7696 private:
7697     string str;
7698 @};
7699
7700 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7701 @end example
7702
7703 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7704 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7705 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7706 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7707 the first line after the opening brace of the class definition. The
7708 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7709 source (at global scope, of course, not inside a function).
7710
7711 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7712 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7713 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7714 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7715 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7716 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7717 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7718 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7719
7720 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7721 class:
7722
7723 @itemize
7724
7725 @item
7726 @code{mystring()}, the default constructor.
7727
7728 @item
7729 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7730 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7731 @code{archive_node}.
7732
7733 @item
7734 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7735 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7736 found in an @code{archive_node}.
7737
7738 @item
7739 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7740 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7741 constructor.
7742
7743 @item
7744 @cindex @code{compare_same_type()}
7745 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7746 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7747 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7748 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7749 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7750 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7751 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7752 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7753 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7754 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7755 defined.
7756
7757 @item
7758 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7759 which are the two constructors we declared.
7760
7761 @end itemize
7762
7763 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7764
7765 @example
7766 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7767 @end example
7768
7769 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7770 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7771 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7772 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7773 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7774 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7775 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7776 to the right value manually.
7777
7778 In the default constructor you should set all other member variables to
7779 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7780 member gets set to an empty string automatically).
7781
7782 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7783 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7784 is really simple.  First, the archiving function:
7785
7786 @example
7787 void mystring::archive(archive_node &n) const
7788 @{
7789     inherited::archive(n);
7790     n.add_string("string", str);
7791 @}
7792 @end example
7793
7794 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7795 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7796 deem necessary for representing the object into the passed
7797 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7798 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7799 file.
7800
7801 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7802 function:
7803
7804 @example
7805 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7806 @{
7807     n.find_string("string", str);
7808 @}
7809 @end example
7810
7811 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7812 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7813 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7814 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7815
7816 Finally, the unarchiving function:
7817
7818 @example
7819 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7820 @{
7821     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7822 @}
7823 @end example
7824
7825 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7826 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7827 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7828 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7829 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7830 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7831 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7832 automatically once it is no longer referenced.
7833
7834 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7835 the string members:
7836
7837 @example
7838 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7839 @{
7840     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7841     int cmpval = str.compare(o.str);
7842     if (cmpval == 0)
7843         return 0;
7844     else if (cmpval < 0)
7845         return -1;
7846     else
7847         return 1;
7848 @}
7849 @end example
7850
7851 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7852 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7853 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7854 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7855 all relevant member variables.
7856
7857 Now the only thing missing is our two new constructors:
7858
7859 @example
7860 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7861 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7862 @end example
7863
7864 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7865 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7866
7867 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7868 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7869
7870 @example
7871 ex e = mystring("Hello, world!");
7872 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7873  // -> 1 (true)
7874
7875 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7876  // -> mystring
7877 @end example
7878
7879 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7880
7881 @example
7882 cout << e << endl;
7883  // -> [mystring object]
7884 @end example
7885
7886 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7887 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7888 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7889 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7890 surrounded by double quotes:
7891
7892 @example
7893 class mystring : public basic
7894 @{
7895     ...
7896 protected:
7897     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7898     ...
7899 @};
7900
7901 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7902 @{
7903     // print_context::s is a reference to an ostream
7904     c.s << '\"' << str << '\"';
7905 @}
7906 @end example
7907
7908 The @code{level} argument is only required for container classes to
7909 correctly parenthesize the output.
7910
7911 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7912 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7913 replace the line
7914
7915 @example
7916 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7917 @end example
7918
7919 with
7920
7921 @example
7922 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7923   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7924 @end example
7925
7926 Let's try again to print the expression:
7927
7928 @example
7929 cout << e << endl;
7930  // -> "Hello, world!"
7931 @end example
7932
7933 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7934 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7935 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7936 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7937 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7938 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7939 way expression output is implemented in GiNaC.
7940
7941 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7942
7943 @example
7944 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7945 cout << e << endl;
7946  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7947 @end example
7948
7949 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7950
7951 @example
7952 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7953 cout << e << endl;
7954  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7955 @end example
7956
7957 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7958 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7959 for your objects.
7960
7961 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7962
7963 @example
7964 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7965 cout << e << endl;
7966  // -> "Wow"^2
7967
7968 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7969 cout << e.expand() << endl;
7970  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7971 @end example
7972
7973 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7974 concatenation. You would have to implement this yourself.
7975
7976 @subsection Automatic evaluation
7977
7978 @cindex evaluation
7979 @cindex @code{eval()}
7980 @cindex @code{hold()}
7981 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7982 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7983 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7984 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7985 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7986 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7987
7988 @example
7989 class mystring : public basic
7990 @{
7991     ...
7992 public:
7993     ex eval(int level = 0) const;
7994     ...
7995 @};
7996
7997 ex mystring::eval(int level) const
7998 @{
7999     string new_str;
8000     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
8001         char c = str[i];
8002         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8003             new_str += tolower(c);
8004         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8005             new_str += c;
8006     @}
8007
8008     if (new_str.length() == 0)
8009         return 0;
8010     else
8011         return mystring(new_str).hold();
8012 @}
8013 @end example
8014
8015 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8016 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8017 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8018 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8019 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8020 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8021 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8022 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8023
8024 Let's confirm that it works:
8025
8026 @example
8027 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8028 cout << e << endl;
8029  // -> "helloworld"
8030
8031 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8032 cout << e << endl;
8033  // -> 3*"wow"
8034 @end example
8035
8036 @subsection Optional member functions
8037
8038 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8039 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8040 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8041
8042 @cindex @code{calchash()}
8043 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8044 @example
8045 unsigned calchash() const;
8046 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8047 @end example
8048
8049 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8050 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8051 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8052 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8053 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8054 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8055
8056 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8057 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8058 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8059 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8060
8061 @subsection Other member functions
8062
8063 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8064 might want to provide:
8065
8066 @example
8067 bool info(unsigned inf) const;
8068 ex evalf(int level = 0) const;
8069 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8070 ex derivative(const symbol & s) const;
8071 @end example
8072
8073 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8074 previous section) you will probably want to override
8075
8076 @cindex @code{let_op()}
8077 @example
8078 size_t nops() cont;
8079 ex op(size_t i) const;
8080 ex & let_op(size_t i);
8081 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8082 ex map(map_function & f) const;
8083 @end example
8084
8085 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8086 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8087 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8088
8089 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8090 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8091 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8092 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8093 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8094 should become a need.
8095
8096 That's it. May the source be with you!
8097
8098
8099 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8100 @c    node-name, next, previous, up
8101 @chapter A Comparison With Other CAS
8102 @cindex advocacy
8103
8104 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8105 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8106 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8107 disadvantages over these systems.
8108
8109 @menu
8110 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8111 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8112 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8113 @end menu
8114
8115 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8116 @c    node-name, next, previous, up
8117 @section Advantages
8118
8119 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8120 Algebra Systems, like 
8121
8122 @itemize @bullet
8123
8124 @item
8125 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8126 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8127 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8128 in common C++, which is standardized.
8129
8130 @cindex STL
8131 @item
8132 structured data types: you can build up structured data types using
8133 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8134 using unnamed lists of lists of lists.
8135
8136 @item
8137 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8138 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8139 nice for novice programmers, but dangerous.
8140     
8141 @item
8142 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8143 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8144 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8145
8146 @item
8147 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8148 separating interface and implementation.
8149
8150 @item
8151 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8152 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8153 C++-compilers for free, too.
8154     
8155 @item
8156 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8157 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8158 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8159 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8160 fix bugs in a traditional system.
8161
8162 @item
8163 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8164 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8165 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8166 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8167 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8168 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8169 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8170 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8171 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8172 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8173 FTP-site.
8174
8175 @item
8176 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8177 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8178 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8179 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8180 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8181 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8182 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8183 system (i.e. @emph{Yacas}).
8184
8185 @item
8186 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8187 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8188 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8189 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8190 speed with other CAS.
8191
8192 @end itemize
8193
8194
8195 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8196 @c    node-name, next, previous, up
8197 @section Disadvantages
8198
8199 Of course it also has some disadvantages:
8200
8201 @itemize @bullet
8202
8203 @item
8204 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8205 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8206 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8207 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8208 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8209 not planned for the near future).
8210
8211 @item
8212 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8213 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8214 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8215 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8216 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8217 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8218 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8219 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8220 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8221 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8222 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8223 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8224 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8225 yet ANSI compliant, support all needed features.
8226     
8227 @end itemize
8228
8229
8230 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8231 @c    node-name, next, previous, up
8232 @section Why C++?
8233
8234 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8235 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8236 possible), separation between interface and implementation is not
8237 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8238 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8239 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8240 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8241 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8242 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8243 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8244 any other programming language.
8245
8246
8247 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8248 @c    node-name, next, previous, up
8249 @appendix Internal structures
8250
8251 @menu
8252 * Expressions are reference counted::
8253 * Internal representation of products and sums::
8254 @end menu
8255
8256 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8257 @c    node-name, next, previous, up
8258 @appendixsection Expressions are reference counted
8259
8260 @cindex reference counting
8261 @cindex copy-on-write
8262 @cindex garbage collection
8263 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8264 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8265 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8266 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8267 skip the rest of this passage.
8268
8269 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8270 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8271 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8272 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8273 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8274 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8275 of code:
8276
8277 @example
8278 #include <iostream>
8279 #include <ginac/ginac.h>
8280 using namespace std;
8281 using namespace GiNaC;
8282
8283 int main()
8284 @{
8285     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8286     ex e1, e2;
8287
8288     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8289     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8290     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8291     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8292     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8293 @}
8294 @end example
8295
8296 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8297 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8298 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8299 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8300 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8301 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8302 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8303 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8304 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8305 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8306 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8307 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8308 can be:
8309
8310 @example
8311 @{
8312     symbol x("x"), y("y");
8313
8314     ex e1 = x + 3*y;
8315     ex e2 = pow(e1, 3);
8316     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8317     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8318          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8319          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8320 @}
8321 @end example
8322
8323 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8324 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8325 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8326 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8327 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8328 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8329 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8330 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8331 @code{3*e1^2}.
8332
8333 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8334 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8335 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8336 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8337 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8338 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8339 semantics, we recommend you have a look at the
8340 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8341 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8342 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8343
8344
8345 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8346 @c    node-name, next, previous, up
8347 @appendixsection Internal representation of products and sums
8348
8349 @cindex representation
8350 @cindex @code{add}
8351 @cindex @code{mul}
8352 @cindex @code{power}
8353 Although it should be completely transparent for the user of
8354 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8355 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8356 unexpanded symbolic expression 
8357 @tex
8358 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8359 @end tex
8360 @ifnottex
8361 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8362 @end ifnottex
8363 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8364 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8365 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8366 fashion:
8367
8368 @image{repnaive}
8369
8370 @cindex pair-wise representation
8371 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8372 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8373 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8374 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8375 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8376 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8377 becomes much more flat:
8378
8379 @image{reppair}
8380
8381 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8382 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8383 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8384 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8385 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8386 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8387 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8388 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8389 representation, however, since they are still carrying a trivial
8390 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8391 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8392 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8393 representation for
8394 @tex
8395 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8396 @end tex
8397 @ifnottex
8398 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8399 @end ifnottex
8400
8401 @image{repreal}
8402
8403 @cindex radical
8404 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8405 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8406 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8407 same abstract class: the data representation is the same, only the
8408 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8409 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8410 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8411
8412
8413 @node Package tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8414 @c    node-name, next, previous, up
8415 @appendix Package tools
8416
8417 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8418 setting the correct command line options for the compiler and linker
8419 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8420
8421 @menu
8422 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8423 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8424 @end menu
8425
8426
8427 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package tools, Package tools
8428 @c    node-name, next, previous, up
8429 @section @command{ginac-config}
8430 @cindex ginac-config
8431
8432 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8433 the compiler and linker command line options required to compile and
8434 link a program with the GiNaC library.
8435
8436 @command{ginac-config} takes the following flags:
8437
8438 @table @samp
8439 @item --version
8440 Prints out the version of GiNaC installed.
8441 @item --cppflags
8442 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8443 @item --libs
8444 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8445 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8446 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8447 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8448 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8449 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8450 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8451 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8452 @end table
8453
8454 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8455 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8456 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8457 example:
8458
8459 @example
8460 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8461 @end example
8462
8463 This command line might expand to (for example):
8464
8465 @example
8466 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8467   -lginac -lcln -lstdc++
8468 @end example
8469
8470 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8471 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8472
8473
8474 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package tools
8475 @c    node-name, next, previous, up
8476 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8477 @cindex AM_PATH_GINAC
8478
8479 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8480 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8481
8482 @example
8483 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8484               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8485 @end example
8486
8487 This macro:
8488
8489 @itemize @bullet
8490
8491 @item
8492 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8493 either found in the user's path, or from the environment variable
8494 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8495
8496 @item
8497 Tests the installed libraries to make sure that their version
8498 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8499 if not specified)
8500
8501 @item
8502 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8503 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8504 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8505 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8506 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8507
8508 @item
8509 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8510 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8511
8512 @end itemize
8513
8514 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8515 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8516 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8517 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8518 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8519
8520 @menu
8521 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8522 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8523 @end menu
8524
8525
8526 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8527 @c    node-name, next, previous, up
8528 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8529
8530 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8531 the configure script.
8532
8533 Notes:
8534
8535 @itemize @bullet
8536
8537 @item
8538 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8539 to be found by your system's dynamic linker.
8540   
8541 This is generally done by
8542
8543 @display
8544 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8545 @end display
8546
8547 or by
8548    
8549 @display
8550 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8551 @end display
8552
8553 or, as a last resort, 
8554  
8555 @display
8556 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8557 running configure, for instance:
8558
8559 @example
8560 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8561 @end example
8562 @end display
8563
8564 @item
8565 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8566 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8567 name of the executable
8568
8569 @item
8570 If you move the GiNaC package from its installed location,
8571 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8572 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8573
8574 @end itemize
8575
8576 Advanced note:
8577
8578 @itemize @bullet
8579 @item
8580 configure flags
8581   
8582 @example
8583 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8584 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8585 @end example
8586
8587 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8588 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8589 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8590 @end itemize
8591
8592
8593 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8594 @c    node-name, next, previous, up
8595 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8596
8597 The following shows how to build a simple package using automake
8598 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8599
8600 @example
8601 #include <iostream>
8602 #include <ginac/ginac.h>
8603
8604 int main()
8605 @{
8606     GiNaC::symbol x("x");
8607     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8608     std::cout << "Derivative of " << a 
8609               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8610     return 0;
8611 @}
8612 @end example
8613
8614 You should first read the introductory portions of the automake
8615 Manual, if you are not already familiar with it.
8616
8617 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8618 configure script:
8619
8620 @example
8621 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8622 AC_INIT(simple.cpp)
8623 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8624
8625 AC_PROG_CXX
8626 AC_PROG_INSTALL
8627 AC_LANG_CPLUSPLUS
8628
8629 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8630   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8631   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8632 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8633
8634 AC_OUTPUT(Makefile)
8635 @end example
8636
8637 The only command in this which is not standard for automake
8638 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8639
8640 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8641 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8642 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8643 the error message `need to have GiNaC installed'
8644
8645 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8646
8647 @example
8648 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8649 bin_PROGRAMS = simple
8650 simple_SOURCES = simple.cpp
8651 @end example
8652
8653 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8654 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8655 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8656 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8657 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8658 adding the lines:
8659
8660 @example
8661 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8662 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8663 @end example
8664
8665 to the @file{Makefile.am}.
8666
8667 To try this example out, create a new directory and add the three
8668 files above to it.
8669
8670 Now execute the following commands:
8671
8672 @example
8673 $ automake --add-missing
8674 $ aclocal
8675 $ autoconf
8676 @end example
8677
8678 You now have a package that can be built in the normal fashion
8679
8680 @example
8681 $ ./configure
8682 $ make
8683 $ make install
8684 @end example
8685
8686
8687 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8688 @c    node-name, next, previous, up
8689 @appendix Bibliography
8690
8691 @itemize @minus{}
8692
8693 @item
8694 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8695
8696 @item
8697 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8698
8699 @item
8700 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8701
8702 @item
8703 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8704
8705 @item
8706 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8707 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8708
8709 @item
8710 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8711 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8712 Academic Press, London
8713
8714 @item
8715 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8716 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8717
8718 @item
8719 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8720 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8721
8722 @item
8723 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8724 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8725
8726 @item
8727 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8728
8729 @end itemize
8730
8731
8732 @node Concept index, , Bibliography, Top
8733 @c    node-name, next, previous, up
8734 @unnumbered Concept index
8735
8736 @printindex cp
8737
8738 @bye