]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
[DOC] Change library order in tutorial example.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal structures::          Description of some internal structures.
89 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2019 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lginac -lcln
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{http://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
488 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
489 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
490 continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval() const;
842 ex basic::eval() const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1150 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1151 @cindex @code{get_name()}
1152 @cindex @code{get_TeX_name()}
1153 @example
1154 symbol::get_name() const;
1155 symbol::get_TeX_name() const;
1156 @end example
1157
1158 @cindex @code{subs()}
1159 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1160 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1161 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1162 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1163 (@pxref{Substituting expressions}).
1164
1165 @cindex @code{realsymbol()}
1166 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1167 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1168 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1169 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1170 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1171 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1172 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1173 allows you to specify
1174 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1175 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1176
1177 @cindex @code{possymbol()}
1178 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1179 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1180 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1181
1182
1183 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1184 @c    node-name, next, previous, up
1185 @section Numbers
1186 @cindex @code{numeric} (class)
1187
1188 @cindex GMP
1189 @cindex CLN
1190 @cindex rational
1191 @cindex fraction
1192 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1193 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1194 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1195 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1196 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1197 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1198 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1199 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1200 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1201 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1202 several useful things: First, it introduces the complex number field
1203 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1204 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1205 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1206 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1207 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1208 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1209 calculation of some useful constants.
1210
1211 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1212 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1213 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1214 integers, construction from C-float and construction from a string:
1215
1216 @example
1217 #include <iostream>
1218 #include <ginac/ginac.h>
1219 using namespace GiNaC;
1220
1221 int main()
1222 @{
1223     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1224     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1225     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1226     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1227     // Trott's constant in scientific notation:
1228     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1229     
1230     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1231     ...
1232 @end example
1233
1234 @cindex @code{I}
1235 @cindex complex numbers
1236 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1237 name @code{I}:
1238
1239 @example
1240     ...
1241     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1242     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1243 @}
1244 @end example
1245
1246 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1247 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1248 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1249 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1250 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1251 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1252 also.
1253
1254 @cindex @code{Digits}
1255 @cindex accuracy
1256 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1257 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1258 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1259 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1260 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1261 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1262 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1263 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1264 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1265 digits:
1266
1267 @example
1268 #include <iostream>
1269 #include <ginac/ginac.h>
1270 using namespace std;
1271 using namespace GiNaC;
1272
1273 void foo()
1274 @{
1275     numeric three(3.0), one(1.0);
1276     numeric x = one/three;
1277
1278     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1279     cout << x << endl;
1280     cout << Pi.evalf() << endl;
1281 @}
1282
1283 int main()
1284 @{
1285     foo();
1286     Digits = 60;
1287     foo();
1288     return 0;
1289 @}
1290 @end example
1291
1292 The above example prints the following output to screen:
1293
1294 @example
1295 in 17 digits:
1296 0.33333333333333333334
1297 3.1415926535897932385
1298 in 60 digits:
1299 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1300 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1301 @end example
1302
1303 @cindex rounding
1304 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1305 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1306 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1307 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1308 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1309 architectures with different word size, the above output might even
1310 differ with regard to actually computed digits.
1311
1312 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1313 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1314 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1315
1316 @subsection Tests on numbers
1317
1318 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1319 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1320 kind of information from them like asking whether that number is
1321 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1322 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1323 certain CLN functions.)
1324
1325 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1326 some multiple of its denominator and test what comes out:
1327
1328 @example
1329 #include <iostream>
1330 #include <ginac/ginac.h>
1331 using namespace std;
1332 using namespace GiNaC;
1333
1334 // some very important constants:
1335 const numeric twentyone(21);
1336 const numeric ten(10);
1337 const numeric five(5);
1338
1339 int main()
1340 @{
1341     numeric answer = twentyone;
1342
1343     answer /= five;
1344     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1345     answer *= ten;
1346     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1347 @}
1348 @end example
1349
1350 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1351 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1352 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1353 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1354 the result is automatically converted to a pure integer again.
1355 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1356 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1357 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1358 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1359 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1360 can be applied is listed in the following table.
1361
1362 @cartouche
1363 @multitable @columnfractions .30 .70
1364 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1365 @item @code{.is_zero()}
1366 @tab @dots{}equal to zero
1367 @item @code{.is_positive()}
1368 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1369 @item @code{.is_negative()}
1370 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1371 @item @code{.is_integer()}
1372 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1373 @item @code{.is_pos_integer()}
1374 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1375 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1376 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1377 @item @code{.is_even()}
1378 @tab @dots{}an even integer
1379 @item @code{.is_odd()}
1380 @tab @dots{}an odd integer
1381 @item @code{.is_prime()}
1382 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1383 @item @code{.is_rational()}
1384 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1385 @item @code{.is_real()}
1386 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1387 @item @code{.is_cinteger()}
1388 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1389 @item @code{.is_crational()}
1390 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1391 @end multitable
1392 @end cartouche
1393
1394 @page
1395
1396 @subsection Numeric functions
1397
1398 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1399 evaluated immediately:
1400
1401 @cartouche
1402 @multitable @columnfractions .30 .70
1403 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1404 @item @code{inverse(z)}
1405 @tab returns @math{1/z}
1406 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1407 @item @code{pow(a, b)}
1408 @tab exponentiation @math{a^b}
1409 @item @code{abs(z)}
1410 @tab absolute value
1411 @item @code{real(z)}
1412 @tab real part
1413 @cindex @code{real()}
1414 @item @code{imag(z)}
1415 @tab imaginary part
1416 @cindex @code{imag()}
1417 @item @code{csgn(z)}
1418 @tab complex sign (returns an @code{int})
1419 @item @code{step(x)}
1420 @tab step function (returns an @code{numeric})
1421 @item @code{numer(z)}
1422 @tab numerator of rational or complex rational number
1423 @item @code{denom(z)}
1424 @tab denominator of rational or complex rational number
1425 @item @code{sqrt(z)}
1426 @tab square root
1427 @item @code{isqrt(n)}
1428 @tab integer square root
1429 @cindex @code{isqrt()}
1430 @item @code{sin(z)}
1431 @tab sine
1432 @item @code{cos(z)}
1433 @tab cosine
1434 @item @code{tan(z)}
1435 @tab tangent
1436 @item @code{asin(z)}
1437 @tab inverse sine
1438 @item @code{acos(z)}
1439 @tab inverse cosine
1440 @item @code{atan(z)}
1441 @tab inverse tangent
1442 @item @code{atan(y, x)}
1443 @tab inverse tangent with two arguments
1444 @item @code{sinh(z)}
1445 @tab hyperbolic sine
1446 @item @code{cosh(z)}
1447 @tab hyperbolic cosine
1448 @item @code{tanh(z)}
1449 @tab hyperbolic tangent
1450 @item @code{asinh(z)}
1451 @tab inverse hyperbolic sine
1452 @item @code{acosh(z)}
1453 @tab inverse hyperbolic cosine
1454 @item @code{atanh(z)}
1455 @tab inverse hyperbolic tangent
1456 @item @code{exp(z)}
1457 @tab exponential function
1458 @item @code{log(z)}
1459 @tab natural logarithm
1460 @item @code{Li2(z)}
1461 @tab dilogarithm
1462 @item @code{zeta(z)}
1463 @tab Riemann's zeta function
1464 @item @code{tgamma(z)}
1465 @tab gamma function
1466 @item @code{lgamma(z)}
1467 @tab logarithm of gamma function
1468 @item @code{psi(z)}
1469 @tab psi (digamma) function
1470 @item @code{psi(n, z)}
1471 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1472 @item @code{factorial(n)}
1473 @tab factorial function @math{n!}
1474 @item @code{doublefactorial(n)}
1475 @tab double factorial function @math{n!!}
1476 @cindex @code{doublefactorial()}
1477 @item @code{binomial(n, k)}
1478 @tab binomial coefficients
1479 @item @code{bernoulli(n)}
1480 @tab Bernoulli numbers
1481 @cindex @code{bernoulli()}
1482 @item @code{fibonacci(n)}
1483 @tab Fibonacci numbers
1484 @cindex @code{fibonacci()}
1485 @item @code{mod(a, b)}
1486 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1487 @cindex @code{mod()}
1488 @item @code{smod(a, b)}
1489 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1490 @cindex @code{smod()}
1491 @item @code{irem(a, b)}
1492 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1493 @cindex @code{irem()}
1494 @item @code{irem(a, b, q)}
1495 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1496 @item @code{iquo(a, b)}
1497 @tab integer quotient
1498 @cindex @code{iquo()}
1499 @item @code{iquo(a, b, r)}
1500 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1501 @item @code{gcd(a, b)}
1502 @tab greatest common divisor
1503 @item @code{lcm(a, b)}
1504 @tab least common multiple
1505 @end multitable
1506 @end cartouche
1507
1508 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1509 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1510 as polynomial algorithms.
1511
1512 @subsection Converting numbers
1513
1514 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1515 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1516 class provides a couple of methods for this purpose:
1517
1518 @cindex @code{to_int()}
1519 @cindex @code{to_long()}
1520 @cindex @code{to_double()}
1521 @cindex @code{to_cl_N()}
1522 @example
1523 int numeric::to_int() const;
1524 long numeric::to_long() const;
1525 double numeric::to_double() const;
1526 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1527 @end example
1528
1529 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1530 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1531 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1532 rational number will return a floating-point approximation. Both
1533 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1534 part of complex numbers.
1535
1536
1537 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1538 @c    node-name, next, previous, up
1539 @section Constants
1540 @cindex @code{constant} (class)
1541
1542 @cindex @code{Pi}
1543 @cindex @code{Catalan}
1544 @cindex @code{Euler}
1545 @cindex @code{evalf()}
1546 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1547 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1548
1549 The predefined known constants are:
1550
1551 @cartouche
1552 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1553 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1554 @item @code{Pi}
1555 @tab Archimedes' constant
1556 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1557 @item @code{Catalan}
1558 @tab Catalan's constant
1559 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1560 @item @code{Euler}
1561 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1562 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1563 @end multitable
1564 @end cartouche
1565
1566
1567 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1568 @c    node-name, next, previous, up
1569 @section Sums, products and powers
1570 @cindex polynomial
1571 @cindex @code{add}
1572 @cindex @code{mul}
1573 @cindex @code{power}
1574
1575 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1576 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1577 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1578 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1579 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1580 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1581 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1582 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1583
1584 @example
1585     ...
1586     symbol a("a"), b("b");
1587     ex MyTerm = 1+a*b;
1588     ...
1589 @end example
1590
1591 @cindex @code{pow()}
1592 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1593 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1594 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1595 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1596 have several counterintuitive and undesired effects:
1597
1598 @itemize @bullet
1599 @item
1600 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1601 @item
1602 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1603 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1604 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1605 @item
1606 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1607 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1608 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1609 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1610 has requested @code{2^3}.)
1611 @end itemize
1612
1613 @cindex @command{ginsh}
1614 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1615 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1616 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1617 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1618 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1619 not exist at all in C++).
1620
1621 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1622 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1623 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1624 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1625 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1626 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1627 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1628 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1629 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1630 @code{x} negative.
1631
1632 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1633 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1634 and safe simplifications are carried out like transforming
1635 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1636
1637
1638 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1639 @c    node-name, next, previous, up
1640 @section Lists of expressions
1641 @cindex @code{lst} (class)
1642 @cindex lists
1643 @cindex @code{nops()}
1644 @cindex @code{op()}
1645 @cindex @code{append()}
1646 @cindex @code{prepend()}
1647 @cindex @code{remove_first()}
1648 @cindex @code{remove_last()}
1649 @cindex @code{remove_all()}
1650
1651 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1652 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1653 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1654 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1655 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1656
1657 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1658
1659 @example
1660 @{
1661     symbol x("x"), y("y");
1662     lst l = @{x, 2, y, x+y@};
1663     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1664     // in that order
1665     ...
1666 @end example
1667
1668 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1669 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1670 individual elements:
1671
1672 @example
1673     ...
1674     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1675     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1676     ...
1677 @end example
1678
1679 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1680 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1681 sequential access to the elements of a list is possible with the
1682 iterator types provided by the @code{lst} class:
1683
1684 @example
1685 typedef ... lst::const_iterator;
1686 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1687 lst::const_iterator lst::begin() const;
1688 lst::const_iterator lst::end() const;
1689 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1690 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1691 @end example
1692
1693 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1694
1695 @example
1696     ...
1697     // O(N)
1698     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1699         cout << *i << endl;
1700     ...
1701 @end example
1702
1703 which is one order faster than
1704
1705 @example
1706     ...
1707     // O(N^2)
1708     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1709         cout << l.op(i) << endl;
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1714 the C++ standard library:
1715
1716 @example
1717     ...
1718     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1719     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1720
1721     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1722     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1723     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1724     ...
1725 @end example
1726
1727 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1728 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1729
1730 @example
1731     ...
1732     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1733     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1738 and @code{prepend()} methods:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1743     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1748 and @code{remove_last()}:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1754     ...
1755 @end example
1756
1757 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1758
1759 @example
1760     ...
1761     l.remove_all();     // l is now empty
1762     ...
1763 @end example
1764
1765 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1766
1767 @example
1768     ...
1769     lst l1 = @{x, 2, y, x+y@};
1770     lst l2 = @{2, x+y, x, y@};
1771     l1.sort();
1772     l2.sort();
1773     // l1 and l2 are now equal
1774     ...
1775 @end example
1776
1777 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1778 elements with @code{unique()}:
1779
1780 @example
1781     ...
1782     lst l3 = @{x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x@};
1783     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1784 @}
1785 @end example
1786
1787
1788 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1789 @c    node-name, next, previous, up
1790 @section Mathematical functions
1791 @cindex @code{function} (class)
1792 @cindex trigonometric function
1793 @cindex hyperbolic function
1794
1795 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1796 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1797 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1798
1799 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1800 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1801 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1802 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1803 the next example, showing how a function returns itself twice and
1804 finally an expression that may be really useful:
1805
1806 @cindex Gamma function
1807 @cindex @code{subs()}
1808 @example
1809     ...
1810     symbol x("x"), y("y");    
1811     ex foo = x+y/2;
1812     cout << tgamma(foo) << endl;
1813      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1814     ex bar = foo.subs(y==1);
1815     cout << tgamma(bar) << endl;
1816      // -> tgamma(x+1/2)
1817     ex foobar = bar.subs(x==7);
1818     cout << tgamma(foobar) << endl;
1819      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1820     ...
1821 @end example
1822
1823 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1824 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1825 this.
1826
1827 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1828 functions, where the argument list is templated.  This means that
1829 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1830 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1831 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1832 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1833 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1834 point number of class @code{numeric} you should call
1835 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1836 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1837 wrapped inside an @code{ex}.
1838
1839
1840 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1841 @c    node-name, next, previous, up
1842 @section Relations
1843 @cindex @code{relational} (class)
1844
1845 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1846 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1847 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1848 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1849 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1850 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1851
1852 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1853 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1854 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1855 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1856 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1857 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1858 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1859 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1860 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1861 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1862 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1863 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1864 @code{expand()} must be called explicitly.
1865
1866 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1867 @c    node-name, next, previous, up
1868 @section Integrals
1869 @cindex @code{integral} (class)
1870
1871 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1872 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1873 1, you would write this as
1874 @example
1875 integral(x, 0, 1, x*x)
1876 @end example
1877 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1878 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1879 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1880 can be evaluated symbolically by calling the
1881 @example
1882 .eval_integ()
1883 @end example
1884 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1885 @example
1886 .evalf()
1887 @end example
1888 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1889 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1890 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1891 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1892 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1893 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1894 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1895 integrals is determined by the static member variable
1896 @example
1897 ex integral::relative_integration_error
1898 @end example
1899 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1900 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1901 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1902 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1903 variable
1904 @example
1905 int integral::max_integration_level
1906 @end example
1907 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1908 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1909 evaluation, is also available as
1910 @example
1911 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1912                    const ex & error)
1913 @end example
1914 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1915 last parameter of the function is optional and defaults to the
1916 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1917 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1918 a lookup table is used.
1919
1920 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1921 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1922 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1923 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1924 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1925 with respect to the integration variable.
1926
1927 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1928 @c    node-name, next, previous, up
1929 @section Matrices
1930 @cindex @code{matrix} (class)
1931
1932 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1933 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1934 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1935 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1936
1937 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1938 elements. The constructor
1939
1940 @example
1941 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1942 @end example
1943
1944 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1945 set to zero.
1946
1947 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1948 initializer lists, all of the same size:
1949
1950 @example
1951 @{
1952     matrix m = @{@{1, -a@},
1953                 @{a,  1@}@};
1954 @}
1955 @end example
1956
1957 You can also specify the elements as a (flat) list with
1958
1959 @example
1960 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1961 @end example
1962
1963 The function
1964
1965 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1966 @example
1967 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1968 @end example
1969
1970 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1971
1972 There is also a set of functions for creating some special types of
1973 matrices:
1974
1975 @cindex @code{diag_matrix()}
1976 @cindex @code{unit_matrix()}
1977 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1978 @example
1979 ex diag_matrix(const lst & l);
1980 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
1981 ex unit_matrix(unsigned x);
1982 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1983 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1984 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1985                    const string & tex_base_name);
1986 @end example
1987
1988 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
1989 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1990 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1991 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1992 and the position of each element in the matrix.
1993
1994 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1995 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1996 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1997 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1998 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1999 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2000
2001 @cindex @code{sub_matrix()}
2002 @cindex @code{reduced_matrix()}
2003 @example
2004 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2005 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2006 @end example
2007
2008 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2009 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2010 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2011 that specify which row and column to remove:
2012
2013 @example
2014 @{
2015     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2016                 @{21, 22, 23@},
2017                 @{31, 32, 33@}@};
2018     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2019     // -> [[11,13],[31,33]]
2020     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2021     // -> [[22,23],[32,33]]
2022 @}
2023 @end example
2024
2025 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2026 operator:
2027
2028 @example
2029 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2030 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2031 @end example
2032
2033 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2034 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2035 @samp{[]} is not available.
2036
2037 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2038
2039 @example
2040 @{
2041     symbol a("a"), b("b");
2042
2043     matrix M = @{@{a, 0@},
2044                 @{0, b@}@};
2045     cout << M << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     matrix M2(2, 2);
2049     M2(0, 0) = a;
2050     M2(1, 1) = b;
2051     cout << M2 << endl;
2052      // -> [[a,0],[0,b]]
2053
2054     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2055      // -> [[a,0],[0,b]]
2056
2057     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2058      // -> [[a,0],[0,b]]
2059
2060     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2061      // -> [[a,0],[0,b]]
2062
2063     cout << unit_matrix(3) << endl;
2064      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2065
2066     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2067      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2068 @}
2069 @end example
2070
2071 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2072 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2073 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2074 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2075 expression is zero or a zero matrix.
2076
2077 @cindex @code{transpose()}
2078 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2079 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2080
2081 @example
2082 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2083 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2084 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2085 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2086 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2087 matrix matrix::transpose() const;
2088 @end example
2089
2090 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2091 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2092 and @math{C}:
2093
2094 @example
2095 @{
2096     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2097                 @{ 3, 4@}@};
2098     matrix B = @{@{-1, 0@},
2099                 @{ 2, 1@}@};
2100     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2101                 @{ 2, 1@}@};
2102
2103     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2104     cout << result << endl;
2105      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2106     ...
2107 @}
2108 @end example
2109
2110 @cindex @code{evalm()}
2111 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2112 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2113 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2114 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2115 method
2116
2117 @example
2118 ex ex::evalm() const;
2119 @end example
2120
2121 to obtain the result:
2122
2123 @example
2124 @{
2125     ...
2126     ex e = A*B - 2*C;
2127     cout << e << endl;
2128      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2129     cout << e.evalm() << endl;
2130      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2131     ...
2132 @}
2133 @end example
2134
2135 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2136 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2137 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2138 dealing with non-commutative expressions.
2139
2140 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2141 to perform the arithmetic:
2142
2143 @example
2144 @{
2145     ...
2146     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2147     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2148     cout << e << endl;
2149      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2150     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2151      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2152 @}
2153 @end example
2154
2155 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2156 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2157 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2158 more information about using matrices with indices, and about indices in
2159 general.
2160
2161 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2162 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2163
2164 @cindex @code{determinant()}
2165 @cindex @code{trace()}
2166 @cindex @code{charpoly()}
2167 @cindex @code{rank()}
2168 @example
2169 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2170 ex matrix::trace() const;
2171 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2172 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2173 @end example
2174
2175 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2176 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2177 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2178 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2179 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2180 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2181 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2182 to give the result most quickly.
2183
2184 @cindex @code{solve()}
2185 Linear systems can be solved with:
2186
2187 @example
2188 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2189                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2190 @end example
2191
2192 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2193 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2194 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2195 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2196 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2197 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2198 overdetermined, an exception is thrown.
2199
2200 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2201 To invert a matrix, use the method:
2202
2203 @example
2204 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2205 @end example
2206
2207 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2208 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2209
2210 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2211 @c    node-name, next, previous, up
2212 @section Indexed objects
2213
2214 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2215 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2216 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2217 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2218
2219 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2220 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2221 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2222 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2223
2224 @cindex @code{idx} (class)
2225 @cindex @code{indexed} (class)
2226 @subsection Indexed quantities and their indices
2227
2228 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2229 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2230
2231 @itemize @bullet
2232
2233 @cindex contravariant
2234 @cindex covariant
2235 @cindex variance
2236 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2237 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2238 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2239 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2240 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2241 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2242
2243 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2244 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2245 one or more indices.
2246
2247 @end itemize
2248
2249 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2250 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2251 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2252 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2253 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2254 not visible in the output.
2255
2256 A simple example shall illustrate the concepts:
2257
2258 @example
2259 #include <iostream>
2260 #include <ginac/ginac.h>
2261 using namespace std;
2262 using namespace GiNaC;
2263
2264 int main()
2265 @{
2266     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2267     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2268
2269     symbol A("A");
2270     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2271      // -> A.i.j
2272     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2273      // -> A.i[3].j[3]
2274     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2275     ...
2276 @end example
2277
2278 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2279 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2280 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2281 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2282 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2283 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2284 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2285 @code{j}.
2286
2287 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2288 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2289 as shown above.
2290
2291 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2292 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2293 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2294 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2295 correct and will raise an exception:
2296
2297 @example
2298 symbol i("i"), j("j");
2299 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2300 @end example
2301
2302 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2303 be numeric, and index dimensions symbolic:
2304
2305 @example
2306     ...
2307     symbol B("B"), dim("dim");
2308     cout << 4 * indexed(A, i)
2309           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2310      // -> B.j.2.i+4*A.i
2311     ...
2312 @end example
2313
2314 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2315 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2316 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2317 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2318 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2319
2320 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2321 arbitrary expressions:
2322
2323 @example
2324     ...
2325     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2326      // -> (B+A).(1+2*i)
2327     ...
2328 @end example
2329
2330 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2331 get an error message from this but you will probably not be able to do
2332 anything useful with it.
2333
2334 @cindex @code{get_value()}
2335 @cindex @code{get_dim()}
2336 The methods
2337
2338 @example
2339 ex idx::get_value();
2340 ex idx::get_dim();
2341 @end example
2342
2343 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2344 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2345 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2346 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2347
2348 There are also the methods
2349
2350 @example
2351 bool idx::is_numeric();
2352 bool idx::is_symbolic();
2353 bool idx::is_dim_numeric();
2354 bool idx::is_dim_symbolic();
2355 @end example
2356
2357 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2358 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2359 about expressions}) returns information about the index value.
2360
2361 @cindex @code{varidx} (class)
2362 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2363
2364 @example
2365     ...
2366     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2367     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2368     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2369
2370     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2371      // -> A~mu~nu
2372     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2373      // -> A.mu~nu
2374     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2375      // -> A.mu~nu
2376     ...
2377 @end example
2378
2379 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2380 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2381 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2382 constructor. The two methods
2383
2384 @example
2385 bool varidx::is_covariant();
2386 bool varidx::is_contravariant();
2387 @end example
2388
2389 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2390 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2391 method
2392
2393 @example
2394 ex varidx::toggle_variance();
2395 @end example
2396
2397 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2398 variance. By using it you only have to define the index once.
2399
2400 @cindex @code{spinidx} (class)
2401 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2402 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2403
2404 @example
2405     ...
2406     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2407     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2408                                             // contravariant, undotted
2409     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2410     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2411     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2412
2413     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2414      // -> K~C~D
2415     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2416      // -> K.C~*D
2417     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2418      // -> K.*D~D
2419     ...
2420 @end example
2421
2422 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2423 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2424 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2425 methods
2426
2427 @example
2428 bool spinidx::is_dotted();
2429 bool spinidx::is_undotted();
2430 @end example
2431
2432 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2433 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2434 Finally, the two methods
2435
2436 @example
2437 ex spinidx::toggle_dot();
2438 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2439 @end example
2440
2441 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2442 and the same or opposite variance.
2443
2444 @subsection Substituting indices
2445
2446 @cindex @code{subs()}
2447 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2448 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2449 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2450 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2451
2452 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2453 by another index or expression:
2454
2455 @example
2456     ...
2457     ex e = indexed(A, mu_co);
2458     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2459      // -> A.mu becomes A~nu
2460     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2461      // -> A.mu becomes A~0
2462     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2463      // -> A.mu becomes A.0
2464     ...
2465 @end example
2466
2467 The third example shows that trying to replace an index with something that
2468 is not an index will substitute the index value instead.
2469
2470 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2471 another expression:
2472
2473 @example
2474     ...
2475     ex e = indexed(A, mu_co);
2476     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2477      // -> A.mu becomes A.nu
2478     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2479      // -> A.mu becomes A.0
2480     ...
2481 @end example
2482
2483 As you see, with the second method only the value of the index will get
2484 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2485 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2486 whole index by another one with the new dimension.
2487
2488 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2489 expected:
2490
2491 @example
2492     ...
2493     ex e = indexed(A, mu_co);
2494     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2495      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2496     ...
2497 @end example
2498
2499 @subsection Symmetries
2500 @cindex @code{symmetry} (class)
2501 @cindex @code{sy_none()}
2502 @cindex @code{sy_symm()}
2503 @cindex @code{sy_anti()}
2504 @cindex @code{sy_cycl()}
2505
2506 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2507 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2508 that is constructed with the helper functions
2509
2510 @example
2511 symmetry sy_none(...);
2512 symmetry sy_symm(...);
2513 symmetry sy_anti(...);
2514 symmetry sy_cycl(...);
2515 @end example
2516
2517 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2518 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2519 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2520 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2521 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2522 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2523 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2524 all indices.
2525
2526 Here are some examples of symmetry definitions:
2527
2528 @example
2529     ...
2530     // No symmetry:
2531     e = indexed(A, i, j);
2532     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2533     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2534
2535     // Symmetric in all three indices:
2536     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2537     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2538     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2539                                                // different canonical order
2540
2541     // Symmetric in the first two indices only:
2542     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2543     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2544
2545     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2546     // be contiguous):
2547     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2548     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2549
2550     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2551     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2552     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2553     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2554
2555     // Cyclic symmetry in all three indices:
2556     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2557     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2558
2559     // The following examples are invalid constructions that will throw
2560     // an exception at run time.
2561
2562     // An index may not appear multiple times:
2563     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2564     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2565
2566     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2567     // same number of indices:
2568     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2569
2570     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2571     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2572     ...
2573 @end example
2574
2575 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2576 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2577 full symmetry in the first six indices you would write
2578 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2579
2580 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2581 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2582
2583 @example
2584     ...
2585     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2586           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2587      // -> 2*A.j.i
2588     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2589           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2590      // -> 0
2591     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2592           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2593      // -> 0
2594     ...
2595 @end example
2596
2597 @cindex @code{get_free_indices()}
2598 @cindex dummy index
2599 @subsection Dummy indices
2600
2601 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2602 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2603 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2604 dummy nor free indices.
2605
2606 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2607 class and their value must be the same single symbol (an index like
2608 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2609 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2610 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2611
2612 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2613 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2614 of a sum are consistent:
2615
2616 @example
2617 @{
2618     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2619
2620     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2621     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2622
2623     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2624     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2625      // -> (.i,.k)
2626      // 'j' and 'l' are dummy indices
2627
2628     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2629     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2630
2631     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2632       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2634      // -> (~mu,~rho)
2635      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2636
2637     e = indexed(A, mu, mu);
2638     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2639      // -> (~mu)
2640      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2641      // variance
2642
2643     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2644     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2645      // this will throw an exception:
2646      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2647 @}
2648 @end example
2649
2650 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2651 A dummy index summation like 
2652 @tex
2653 $ a_i b^i$
2654 @end tex
2655 @ifnottex
2656 a.i b~i
2657 @end ifnottex
2658 can be expanded for indices with numeric
2659 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2660 @tex
2661 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2662 @end tex
2663 @ifnottex
2664 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2665 @end ifnottex
2666 This is performed by the function
2667
2668 @example
2669     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2670 @end example
2671
2672 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2673 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2674 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2675 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2676 @tex
2677 $ a_i b^i$
2678 @end tex
2679 @ifnottex
2680 a.i b~i
2681 @end ifnottex
2682 will be expanded to
2683 @tex
2684 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2685 @end tex
2686 @ifnottex
2687 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2688 @end ifnottex
2689
2690
2691 @cindex @code{simplify_indexed()}
2692 @subsection Simplifying indexed expressions
2693
2694 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2695 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2696 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2697 there is the method
2698
2699 @example
2700 ex ex::simplify_indexed();
2701 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2702 @end example
2703
2704 that performs some more expensive operations:
2705
2706 @itemize @bullet
2707 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2708   @code{get_free_indices()} does
2709 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2710   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2711 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2712   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2713   next section)
2714 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2715   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2716 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2717   of two tensors with a user-defined value
2718 @end itemize
2719
2720 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2721 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2722 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2723
2724 @example
2725 @{
2726     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2727     idx i(i_sym, 3);
2728
2729     scalar_products sp;
2730     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2731     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2732     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2733
2734     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2735     cout << e << endl;
2736      // -> (B+A).i*(A+C).i
2737
2738     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2739          << endl;
2740      // -> 4+C.i*B.i
2741 @}
2742 @end example
2743
2744 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2745 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2746 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2747 taken, and the expression to replace it with.
2748
2749 @cindex @code{expand()}
2750 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2751 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2752 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2753
2754 @cindex @code{tensor} (class)
2755 @subsection Predefined tensors
2756
2757 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2758 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2759 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2760 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2761 indices are specified).
2762
2763 @cindex @code{delta_tensor()}
2764 @subsubsection Delta tensor
2765
2766 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2767 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2768 @code{delta_tensor()}:
2769
2770 @example
2771 @{
2772     symbol A("A"), B("B");
2773
2774     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2775         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2776
2777     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2778          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2779     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2780      // -> B.i.j*A.i.j
2781
2782     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2783      // -> 3
2784 @}
2785 @end example
2786
2787 @cindex @code{metric_tensor()}
2788 @subsubsection General metric tensor
2789
2790 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2791 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2792 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2793 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2794
2795 @example
2796 @{
2797     symbol A("A");
2798
2799     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2800
2801     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2802     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2803      // -> A~mu~rho
2804
2805     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> g~mu~rho
2808
2809     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2810       * metric_tensor(nu, rho);
2811     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2812      // -> delta.mu~rho
2813
2814     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2815       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2816         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2817     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2818      // -> 4+A.rho~rho
2819 @}
2820 @end example
2821
2822 @cindex @code{lorentz_g()}
2823 @subsubsection Minkowski metric tensor
2824
2825 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2826 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2827 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2828 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2829 @samp{eta}):
2830
2831 @example
2832 @{
2833     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2834
2835     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2836       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> 1
2839
2840     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2841       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2842     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2843      // -> -1
2844 @}
2845 @end example
2846
2847 @cindex @code{spinor_metric()}
2848 @subsubsection Spinor metric tensor
2849
2850 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2851 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2852 It is output as @samp{eps}:
2853
2854 @example
2855 @{
2856     symbol psi("psi");
2857
2858     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2859     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2860
2861     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2862     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2863      // -> psi~A
2864
2865     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2866     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2867      // -> -psi~B
2868
2869     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2870     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2871      // -> -psi.A
2872
2873     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2874     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2875      // -> psi.B
2876
2877     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2878     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2879      // -> 2
2880
2881     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2882     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2883      // -> -delta.A~C
2884 @}
2885 @end example
2886
2887 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2888
2889 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2890 @cindex @code{lorentz_eps()}
2891 @subsubsection Epsilon tensor
2892
2893 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2894 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2895 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2896 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2897 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2898 @samp{eps}.
2899
2900 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2901 dimensions:
2902
2903 @example
2904 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2905 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2906 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2907                bool pos_sig = false);
2908 @end example
2909
2910 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2911 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2912 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2913 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2914 tensor):
2915
2916 @example
2917 @{
2918     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2919            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2920     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2921         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2922     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2923      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2924
2925     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2926     symbol A("A"), B("B");
2927     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2928     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2929      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2930     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2931     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2932      // -> 0
2933 @}
2934 @end example
2935
2936 @subsection Linear algebra
2937
2938 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2939 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2940 and scalar products):
2941
2942 @example
2943 @{
2944     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2945     symbol x("x"), y("y");
2946
2947     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2948     matrix A = @{@{1, 2@},
2949                 @{3, 4@}@};
2950     matrix X = @{@{x, y@}@};
2951
2952     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2953      // -> 5
2954
2955     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2956     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2957      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2958
2959     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2960     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2961      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2962 @}
2963 @end example
2964
2965 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2966 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2967 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2968
2969 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2970 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2971 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2972 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2973
2974 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2975 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2976 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2977 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2978 of the metric tensor.
2979
2980
2981 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2982 @c    node-name, next, previous, up
2983 @section Non-commutative objects
2984
2985 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2986 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2987 physics:
2988
2989 @itemize
2990 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2991 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2992 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2993 @end itemize
2994
2995 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2996 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2997 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2998 @ref{Matrices}.
2999
3000 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3001 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3002 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3003 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3004 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3005 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3006 by their class. Consider this example:
3007
3008 @example
3009     ...
3010     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3011     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3012     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3013     cout << e << endl;
3014      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3015     ...
3016 @end example
3017
3018 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3019 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3020 together while preserving the order of factors within each class (because
3021 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3022 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3023 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3024 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3025
3026 @cindex @code{ncmul} (class)
3027 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3028 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3029 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3030 though.
3031
3032 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3033 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3034 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3035 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3036 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3037 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3038 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3039 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3040 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3041 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3042
3043 @cindex @code{return_type()}
3044 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3045 Information about the commutativity of an object or expression can be
3046 obtained with the two member functions
3047
3048 @example
3049 unsigned      ex::return_type() const;
3050 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3051 @end example
3052
3053 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3054 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3055 expressions in GiNaC:
3056
3057 @itemize @bullet
3058 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3059   classes are of this kind.
3060 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3061   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3062   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3063   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3064   class.
3065 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3066   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3067   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3068   @code{noncommutative_composite} expressions.
3069 @end itemize
3070
3071 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3072 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3073 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3074 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3075 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3076 therefore may not commute.
3077
3078 Here are a couple of examples:
3079
3080 @cartouche
3081 @multitable @columnfractions .6 .4
3082 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3083 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3084 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3085 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3086 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3087 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3088 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3089 @end multitable
3090 @end cartouche
3091
3092 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3093 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3094 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3095 non-commutative expressions).
3096
3097
3098 @cindex @code{clifford} (class)
3099 @subsection Clifford algebra
3100
3101
3102 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3103 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3104 mathematical). 
3105
3106 @cindex @code{dirac_gamma()}
3107 @subsubsection Dirac gamma matrices
3108 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3109 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3110 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3111 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3112 constructed by the function
3113
3114 @example
3115 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3116 @end example
3117
3118 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3119 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3120 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3121 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3122 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3123 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3124
3125 @cindex @code{dirac_ONE()}
3126 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3127
3128 @example
3129 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3130 @end example
3131
3132 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3133 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3134 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3135 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3136 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3137
3138 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3139 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3140 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3141 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3142
3143 @example
3144 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3145 @end example
3146
3147 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3148 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3149 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3150 objects, constructed by
3151
3152 @example
3153 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3154 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3155 @end example
3156
3157 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3158 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3159
3160 @cindex @code{dirac_slash()}
3161 Finally, the function
3162
3163 @example
3164 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3165 @end example
3166
3167 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3168 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3169 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3170 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3171
3172 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3173 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3174 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3175
3176 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3177 for example
3178
3179 @example
3180 @{
3181     ...
3182     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3183     varidx mu(symbol("mu"), D);
3184     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3185          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3186     cout << e << endl;
3187      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3188     e = e.simplify_indexed();
3189     cout << e << endl;
3190      // -> -D*a\+2*a\
3191     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3192      // -> -2*a\
3193     ...
3194 @}
3195 @end example
3196
3197 @cindex @code{dirac_trace()}
3198 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3199 you use one of the functions
3200
3201 @example
3202 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3203                const ex & trONE = 4);
3204 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3205 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3206 @end example
3207
3208 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3209 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3210 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3211 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3212 element, which defaults to 4.
3213
3214 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3215 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3216 functional is not cyclic in
3217 @tex $D \ne 4$
3218 @end tex
3219 @ifnottex
3220 @math{D != 4}
3221 @end ifnottex
3222 dimensions when acting on
3223 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3224 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3225 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3226
3227 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3228 @tex $D \ne 4$
3229 @end tex
3230 @ifnottex
3231 @math{D != 4}
3232 @end ifnottex
3233 dimensions:
3234
3235 @example
3236 @{
3237     // 4 dimensions
3238     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3239     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3240            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3241     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3242      // -> -8*eta~rho~nu
3243 @}
3244 ...
3245 @{
3246     // D dimensions
3247     symbol D("D");
3248     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3249     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3250            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3251     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3252      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3253 @}
3254 @end example
3255
3256 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3257 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3258 QED:
3259
3260 @example
3261 @{
3262     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3263     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3264
3265     scalar_products sp;
3266     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3267     sp.add(l, q, ldotq);
3268
3269     ex e = dirac_gamma(mu) *
3270            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3271            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3272            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3273     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3274     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3275     cout << e << endl;
3276      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3277 @}
3278 @end example
3279
3280 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3281 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3282 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3283
3284 @example
3285 @{
3286     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3287     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3288     cout << e << endl;
3289      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3290
3291     e = canonicalize_clifford(e);
3292     cout << e << endl;
3293      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3294 @}
3295 @end example
3296
3297 @cindex @code{clifford_unit()}
3298 @subsubsection A generic Clifford algebra
3299
3300 A generic Clifford algebra, i.e. a
3301 @tex $2^n$
3302 @end tex
3303 @ifnottex
3304 2^n
3305 @end ifnottex
3306 dimensional algebra with
3307 generators 
3308 @tex $e_k$
3309 @end tex 
3310 @ifnottex
3311 e_k
3312 @end ifnottex
3313 satisfying the identities 
3314 @tex
3315 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3316 @end tex
3317 @ifnottex
3318 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3319 @end ifnottex
3320 for some bilinear form (@code{metric})
3321 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3322 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3323 function 
3324
3325 @example
3326     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3327 @end example
3328
3329 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3330 indexing the generators.
3331 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3332 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3333 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3334 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3335 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3336 @code{op(0)} will be used.
3337 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3338 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3339
3340 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3341 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3342 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3343 @cindex @code{get_metric()}
3344 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3345 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3346 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3347 specifies as follows:
3348
3349 @example
3350     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3351 @end example
3352
3353 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3354 Clifford number.
3355
3356 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3357 the Clifford algebra units with a call like that
3358
3359 @example
3360     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3361 @end example
3362
3363 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3364 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3365 automatically. 
3366
3367 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3368 ways. For example 
3369
3370 @example
3371 @{
3372     ... 
3373     idx i(symbol("i"), 4);
3374     realsymbol s("s");
3375     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3376     ex e = clifford_unit(i, M);
3377     ex e0 = e.subs(i == 0);
3378     ex e1 = e.subs(i == 1);
3379     ex e2 = e.subs(i == 2);
3380     ex e3 = e.subs(i == 3);
3381     ...
3382 @}
3383 @end example
3384
3385 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3386 @tex
3387 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3388 @end tex
3389 @ifnottex
3390 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3391 @code{pow(e3, 2) = s}.
3392 @end ifnottex
3393
3394 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3395 A similar effect can be achieved from the function
3396
3397 @example
3398     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3399                        unsigned char rl = 0);
3400     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3401 @end example
3402
3403 which converts a list or vector 
3404 @tex
3405 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3406 @end tex
3407 @ifnottex
3408 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3409 @end ifnottex
3410 into the
3411 Clifford number 
3412 @tex
3413 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3414 @end tex
3415 @ifnottex
3416 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3417 @end ifnottex
3418 with @samp{e.k}
3419 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3420 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3421 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3422 @cindex pseudo-vector
3423 If the number of components supplied
3424 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3425 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3426 pseudo-vector representation: 
3427 @tex
3428 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3429 @end tex
3430 @ifnottex
3431 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3432 @end ifnottex
3433
3434 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3435
3436 @example
3437 @{
3438     ...
3439     idx i(symbol("i"), 4);
3440     realsymbol s("s");
3441     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3442     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3443     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3444     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3445     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3446   ...
3447 @}
3448 @end example
3449
3450 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3451 There is the inverse function 
3452
3453 @example
3454     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3455 @end example
3456
3457 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3458 @tex
3459 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3460 @end tex
3461 @ifnottex
3462 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3463 @end ifnottex
3464 such that the expression is either vector 
3465 @tex
3466 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3467 @end tex
3468 @ifnottex
3469 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3470 @end ifnottex
3471 or pseudo-vector 
3472 @tex
3473 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3474 @end tex
3475 @ifnottex
3476 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3477 @end ifnottex
3478 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3479 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3480 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3481 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3482 @samp{v~k} are calculated as 
3483 @tex
3484 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3485 @end tex
3486 @ifnottex
3487 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3488 @end ifnottex
3489 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3490 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3491 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3492
3493 @cindex @code{clifford_prime()}
3494 @cindex @code{clifford_star()}
3495 @cindex @code{clifford_bar()}
3496 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3497
3498 @example
3499     ex clifford_prime(const ex & e)
3500     inline ex clifford_star(const ex & e)
3501     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3502 @end example
3503
3504 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3505 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3506 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3507 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3508 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3509 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3510 in a product. These functions correspond to the notations
3511 @math{e'},
3512 @tex
3513 $e^*$
3514 @end tex
3515 @ifnottex
3516 e*
3517 @end ifnottex
3518 and
3519 @tex
3520 $\overline{e}$
3521 @end tex
3522 @ifnottex
3523 @code{\bar@{e@}}
3524 @end ifnottex
3525 used in Clifford algebra textbooks.
3526
3527 @cindex @code{clifford_norm()}
3528 The function
3529
3530 @example
3531     ex clifford_norm(const ex & e);
3532 @end example
3533
3534 @cindex @code{clifford_inverse()}
3535 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3536 @tex
3537 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3538 @end tex
3539 @ifnottex
3540 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3541 @end ifnottex
3542  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3543
3544 @example
3545     ex clifford_inverse(const ex & e);
3546 @end example
3547
3548 which calculates it as 
3549 @tex
3550 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3551 @end tex
3552 @ifnottex
3553 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3554 @end ifnottex
3555  If
3556 @tex
3557 $||e|| = 0$
3558 @end tex
3559 @ifnottex
3560 @math{||e||=0}
3561 @end ifnottex
3562 then an exception is raised.
3563
3564 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3565 If a Clifford number happens to be a factor of
3566 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3567 expression by the function
3568
3569 @example
3570     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3571 @end example
3572
3573 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3574 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3575 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3576
3577 The next provided function is
3578
3579 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3580 @example
3581     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3582                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3583                             unsigned char rl = 0);
3584     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3585                             unsigned char rl = 0);
3586 @end example 
3587
3588 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3589 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3590 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3591 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3592 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3593 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3594 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3595 is either a vector or a list holding vector's components.
3596
3597 @cindex @code{clifford_max_label()}
3598 Finally the function
3599
3600 @example
3601 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3602 @end example
3603
3604 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3605 such objects are found it returns the maximal
3606 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3607 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3608 be ignored during the search.
3609  
3610 LaTeX output for Clifford units looks like
3611 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3612 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3613 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3614 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3615 @example
3616     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3617 @end example
3618 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3619 @example
3620     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3621 @end example
3622 prints units with @code{representation_label=0} as 
3623 @tex
3624 $e$,
3625 @end tex
3626 @ifnottex
3627 @code{e},
3628 @end ifnottex
3629 with @code{representation_label=1} as 
3630 @tex
3631 $\tilde{e}$
3632 @end tex
3633 @ifnottex
3634 @code{\tilde@{e@}}
3635 @end ifnottex
3636  and with @code{representation_label=2} as 
3637 @tex
3638 $\breve{e}$.
3639 @end tex
3640 @ifnottex
3641 @code{\breve@{e@}}.
3642 @end ifnottex
3643
3644 @cindex @code{color} (class)
3645 @subsection Color algebra
3646
3647 @cindex @code{color_T()}
3648 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3649 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3650 elements @math{T_a} are constructed by the function
3651
3652 @example
3653 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3654 @end example
3655
3656 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3657 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3658 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3659 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3660 not @code{varidx}.
3661
3662 @cindex @code{color_ONE()}
3663 The unity element of a color algebra is constructed by
3664
3665 @example
3666 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3667 @end example
3668
3669 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3670 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3671 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3672 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3673 GiNaC may produce incorrect results.
3674
3675 @cindex @code{color_d()}
3676 @cindex @code{color_f()}
3677 The functions
3678
3679 @example
3680 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3681 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3682 @end example
3683
3684 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3685 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3686 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3687
3688 These functions evaluate to their numerical values,
3689 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3690 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3691 goes along better with the notations used in physical literature.
3692
3693 @cindex @code{color_h()}
3694 There's an additional function
3695
3696 @example
3697 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3698 @end example
3699
3700 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3701
3702 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3703 expressions containing color objects:
3704
3705 @example
3706 @{
3707     ...
3708     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3709         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3710
3711     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3712     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3713      // -> 0
3714
3715     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3716     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3717      // -> 5/3*delta.k.l
3718
3719     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3720     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3721      // -> 3*delta.k.l
3722
3723     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3724     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3725      // -> -32/3
3726
3727     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3728     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3729      // -> -2/3*T.a
3730
3731     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3732     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3733      // -> -8/9*ONE
3734
3735     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3736     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3737      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3738     ...
3739 @end example
3740
3741 @cindex @code{color_trace()}
3742 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3743 of the functions
3744
3745 @example
3746 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3747 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3748 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3749 @end example
3750
3751 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3752 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3753 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3754 example:
3755
3756 @example
3757     ...
3758     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3759     cout << e << endl;
3760      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3761 @}
3762 @end example
3763
3764
3765 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3766 @c    node-name, next, previous, up
3767 @section Hash Maps
3768 @cindex hash maps
3769 @cindex @code{exhashmap} (class)
3770
3771 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3772 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3773 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3774 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3775
3776 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3777 following differences:
3778
3779 @itemize @bullet
3780 @item
3781 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3782 @item
3783 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3784 @item 
3785 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3786 @item
3787 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3788 @code{ex_is_less}
3789 @item
3790 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3791 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3792 larger than the specified value)
3793 @item
3794 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3795 table
3796 @item 
3797 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3798 @end itemize
3799
3800
3801 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3802 @c    node-name, next, previous, up
3803 @chapter Methods and functions
3804 @cindex polynomial
3805
3806 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3807 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3808 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3809 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3810 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3811 example:
3812
3813 @example
3814     ...
3815     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3816     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3817     ...
3818 @end example
3819
3820 @cindex @code{subs()}
3821 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3822 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3823 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3824 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3825 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3826 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3827 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3828 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3829 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3830 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3831 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3832 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3833 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3834 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3835 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3836 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3837 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3838 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3839 avoided.
3840
3841 @menu
3842 * Information about expressions::
3843 * Numerical evaluation::
3844 * Substituting expressions::
3845 * Pattern matching and advanced substitutions::
3846 * Applying a function on subexpressions::
3847 * Visitors and tree traversal::
3848 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3849 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3850 * Symbolic differentiation::
3851 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3852 * Symmetrization::
3853 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3854 * Multiple polylogarithms::
3855 * Complex expressions::
3856 * Solving linear systems of equations::
3857 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3858 @end menu
3859
3860
3861 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3862 @c    node-name, next, previous, up
3863 @section Getting information about expressions
3864
3865 @subsection Checking expression types
3866 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3867 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3868 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3869 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3870 @cindex @code{info()}
3871 @cindex @code{return_type()}
3872 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3873
3874 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3875 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3876 GiNaC provides a couple of functions for this:
3877
3878 @example
3879 bool is_a<T>(const ex & e);
3880 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3881 bool ex::info(unsigned flag);
3882 unsigned ex::return_type() const;
3883 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3884 @end example
3885
3886 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3887 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3888 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3889 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3890
3891 @example
3892 @{
3893     @dots{}
3894     if (is_a<numeric>(e))
3895         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3896     @dots{}
3897 @}
3898 @end example
3899
3900 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3901 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3902 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3903 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3904
3905 @example
3906 @{
3907     symbol x("x");
3908     ex e1 = 42;
3909     ex e2 = 4*x - 3;
3910     is_a<numeric>(e1);  // true
3911     is_a<numeric>(e2);  // false
3912     is_a<add>(e1);      // false
3913     is_a<add>(e2);      // true
3914     is_a<mul>(e1);      // false
3915     is_a<mul>(e2);      // false
3916 @}
3917 @end example
3918
3919 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3920 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3921 class @samp{T}, not including parent classes.
3922
3923 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3924 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3925 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3926 table:
3927
3928 @cartouche
3929 @multitable @columnfractions .30 .70
3930 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3931 @item @code{numeric}
3932 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3933 @item @code{real}
3934 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3935 @item @code{rational}
3936 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3937 @item @code{integer}
3938 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3939 @item @code{crational}
3940 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3941 @item @code{cinteger}
3942 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3943 @item @code{positive}
3944 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3945 @item @code{negative}
3946 @tab @dots{}not complex and less than 0
3947 @item @code{nonnegative}
3948 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3949 @item @code{posint}
3950 @tab @dots{}an integer greater than 0
3951 @item @code{negint}
3952 @tab @dots{}an integer less than 0
3953 @item @code{nonnegint}
3954 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3955 @item @code{even}
3956 @tab @dots{}an even integer
3957 @item @code{odd}
3958 @tab @dots{}an odd integer
3959 @item @code{prime}
3960 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3961 @item @code{relation}
3962 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3963 @item @code{relation_equal}
3964 @tab @dots{}a @code{==} relation
3965 @item @code{relation_not_equal}
3966 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3967 @item @code{relation_less}
3968 @tab @dots{}a @code{<} relation
3969 @item @code{relation_less_or_equal}
3970 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3971 @item @code{relation_greater}
3972 @tab @dots{}a @code{>} relation
3973 @item @code{relation_greater_or_equal}
3974 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3975 @item @code{symbol}
3976 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3977 @item @code{list}
3978 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3979 @item @code{polynomial}
3980 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3981 @item @code{integer_polynomial}
3982 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3983 @item @code{cinteger_polynomial}
3984 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3985 @item @code{rational_polynomial}
3986 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3987 @item @code{crational_polynomial}
3988 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3989 @item @code{rational_function}
3990 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3991 @end multitable
3992 @end cartouche
3993
3994 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3995 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3996 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3997 for an explanation of these.
3998
3999
4000 @subsection Accessing subexpressions
4001 @cindex container
4002
4003 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
4004 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
4005 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
4006 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4007
4008 @cindex @code{nops()}
4009 @cindex @code{op()}
4010 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4011 use the two methods
4012
4013 @example
4014 size_t ex::nops();
4015 ex ex::op(size_t i);
4016 @end example
4017
4018 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4019 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4020 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4021 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4022 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4023 @math{i>0} are the indices.
4024
4025 @cindex iterators
4026 @cindex @code{const_iterator}
4027 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4028 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4029
4030 @example
4031 const_iterator ex::begin();
4032 const_iterator ex::end();
4033 @end example
4034
4035 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4036 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4037 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4038 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4039
4040 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4041 given expression in three different ways:
4042
4043 @example
4044 @{
4045     ex e = ...
4046
4047     // with nops()/op()
4048     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4049         cout << e.op(i) << endl;
4050
4051     // with iterators
4052     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4053         cout << *i << endl;
4054
4055     // with iterators and STL copy()
4056     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4057 @}
4058 @end example
4059
4060 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4061 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4062 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4063 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4064 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4065 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4066 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4067 methods
4068
4069 @example
4070 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4071 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4072 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4073 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4074 @end example
4075
4076 The following example illustrates the differences between
4077 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4078 @code{const_postorder_iterator}:
4079
4080 @example
4081 @{
4082     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4083     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4084
4085     std::copy(e.begin(), e.end(),
4086               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4087     // @{A,B@}
4088     // C
4089
4090     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4091               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4092     // @{@{A,B@},C@}
4093     // @{A,B@}
4094     // A
4095     // B
4096     // C
4097
4098     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4099               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4100     // A
4101     // B
4102     // @{A,B@}
4103     // C
4104     // @{@{A,B@},C@}
4105 @}
4106 @end example
4107
4108 @cindex @code{relational} (class)
4109 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4110 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4111 methods
4112
4113 @example
4114 ex ex::lhs();
4115 ex ex::rhs();
4116 @end example
4117
4118
4119 @subsection Comparing expressions
4120 @cindex @code{is_equal()}
4121 @cindex @code{is_zero()}
4122
4123 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4124 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4125 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4126 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4127 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4128 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4129 @code{false}.
4130
4131 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4132 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4133 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4134
4135 There are also two methods
4136
4137 @example
4138 bool ex::is_equal(const ex & other);
4139 bool ex::is_zero();
4140 @end example
4141
4142 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4143 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4144 @pxref{Matrices}. 
4145
4146
4147 @subsection Ordering expressions
4148 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4149 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4150 @cindex @code{compare()}
4151
4152 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4153 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4154 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4155 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4156
4157 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4158 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4159 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4160 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4161 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4162 yield @code{true}.
4163
4164 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4165 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4166 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4167 predicates to the STL:
4168
4169 @example
4170 class ex_is_less @{
4171 public:
4172     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4173 @};
4174
4175 class ex_is_equal @{
4176 public:
4177     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4178 @};
4179 @end example
4180
4181 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4182 have to use
4183
4184 @example
4185 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4186 @end example
4187
4188 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4189 bugs because the map operates improperly.
4190
4191 Other examples for the use of the functors:
4192
4193 @example
4194 std::vector<ex> v;
4195 // fill vector
4196 ...
4197
4198 // sort vector
4199 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4200
4201 // count the number of expressions equal to '1'
4202 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4203                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4204 @end example
4205
4206 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4207
4208 @example
4209 int ex::compare(const ex & other) const;
4210 @end example
4211
4212 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4213 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4214 after @code{other}.
4215
4216
4217 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4218 @c    node-name, next, previous, up
4219 @section Numerical evaluation
4220 @cindex @code{evalf()}
4221
4222 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4223 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4224
4225 @example
4226 ex ex::evalf() const;
4227 @end example
4228
4229 @cindex @code{Digits}
4230 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4231 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4232 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4233
4234 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4235 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4236
4237 @example
4238 @{
4239     // Approximate sin(x/Pi)
4240     symbol x("x");
4241     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4242
4243     // Evaluate numerically at x=0.1
4244     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4245
4246     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4247     if (is_a<numeric>(f)) @{
4248         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4249         cout << d << endl;
4250          // -> 0.0318256
4251     @} else
4252         // error
4253 @}
4254 @end example
4255
4256
4257 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4258 @c    node-name, next, previous, up
4259 @section Substituting expressions
4260 @cindex @code{subs()}
4261
4262 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4263 expressions via the @code{.subs()} method:
4264
4265 @example
4266 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4267 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4268 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4269 @end example
4270
4271 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4272 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4273
4274 @example
4275 @{
4276     symbol x("x"), y("y");
4277
4278     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4279     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4280      // -> 73
4281
4282     ex e2 = x*y + x;
4283     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4284      // -> -10
4285 @}
4286 @end example
4287
4288 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4289 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4290
4291 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4292 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4293 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4294 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4295 be substituted is large or unknown.
4296
4297 Using this form, the second example from above would look like this:
4298
4299 @example
4300 @{
4301     symbol x("x"), y("y");
4302     ex e2 = x*y + x;
4303
4304     exmap m;
4305     m[x] = -2;
4306     m[y] = 4;
4307     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4308 @}
4309 @end example
4310
4311 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4312 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4313 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4314
4315 @example
4316 @{
4317     symbol x("x"), y("y");
4318     ex e2 = x*y + x;
4319
4320     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4321 @}
4322 @end example
4323
4324 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4325 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4326 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4327 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4328 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4329 algebraic substitutions in products and powers.
4330 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4331 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4332 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4333 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4334 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4335 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4336
4337 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4338 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4339 following example:
4340
4341 @example
4342 @{
4343     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4344
4345     ex e1 = pow(x+y, 2);
4346     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4347      // -> 16
4348
4349     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4350     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4351      // -> cos(x)^2*sin(y)
4352
4353     ex e3 = x+y+z;
4354     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4355      // -> x+y+z
4356      // (and not 4+z as one might expect)
4357 @}
4358 @end example
4359
4360 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4361 next section.
4362
4363
4364 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4365 @c    node-name, next, previous, up
4366 @section Pattern matching and advanced substitutions
4367 @cindex @code{wildcard} (class)
4368 @cindex Pattern matching
4369
4370 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4371 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4372 substituting expressions in a more general way.
4373
4374 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4375 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4376 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4377 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4378 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4379 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4380 with the call
4381
4382 @example
4383 ex wild(unsigned label = 0);
4384 @end example
4385
4386 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4387 name.
4388
4389 Some examples for patterns:
4390
4391 @multitable @columnfractions .5 .5
4392 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4393 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4394 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4395 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4396 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4397 @end multitable
4398
4399 Notes:
4400
4401 @itemize @bullet
4402 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4403   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4404 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4405   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4406   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4407 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4408   possible to use them as placeholders for other properties like index
4409   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4410   etc.
4411 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4412   as part of noncommutative products.
4413 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4414   are also valid patterns.
4415 @end itemize
4416
4417 @subsection Matching expressions
4418 @cindex @code{match()}
4419 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4420 matches a given pattern. This is done by the function
4421
4422 @example
4423 bool ex::match(const ex & pattern);
4424 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4425 @end example
4426
4427 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4428 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4429 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4430 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4431 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4432
4433 The matching algorithm works as follows:
4434
4435 @itemize
4436 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4437   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4438   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4439   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4440 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4441   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4442   etc.).
4443 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4444   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4445 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4446   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4447   of the pattern.
4448 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4449   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4450 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4451   match the corresponding subexpression of the pattern.
4452 @end itemize
4453
4454 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4455 account for their commutativity and associativity:
4456
4457 @itemize
4458 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4459   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4460   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4461   way.
4462 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4463   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4464   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4465   further matches.
4466 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4467   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4468   which case this wildcard matches the remaining terms.
4469 @end itemize
4470
4471 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4472 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4473 ambiguous results.
4474
4475 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4476 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4477 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4478
4479 @example
4480 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4481 @{@}
4482 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4483 FAIL
4484 > match((x+y)^a,$1^$2);
4485 @{$1==x+y,$2==a@}
4486 > match((x+y)^a,$1^$1);
4487 FAIL
4488 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4489 @{$1==x+y@}
4490 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4491 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4492 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4493 @{$1==a@}
4494 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4495 @{$1==b,$2==c@}
4496   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4497 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4498   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4499    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4500    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4501    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4502    fail.)
4503 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4504   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4505    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4506 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4507 FAIL
4508 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4509 @{$0==a+e+b+f+d@}
4510 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4511 @{$0==a+b+f+d@}
4512 > match(a+b,a+b+$0);
4513 @{$0==0@}
4514 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4515 FAIL
4516   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4517    even though a==a^1.)
4518 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4519 @{$0==x@}
4520 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4521 @{$0==x^2@}
4522 @end example
4523
4524 @subsection Matching parts of expressions
4525 @cindex @code{has()}
4526 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4527 member function
4528
4529 @example
4530 bool ex::has(const ex & pattern);
4531 @end example
4532
4533 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4534 by any of its subexpressions.
4535
4536 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4537 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4538
4539 @example
4540 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4541 1
4542 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4543 0
4544   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4545    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4546 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4547 1
4548   (But this is possible.)
4549 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4550 0
4551   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4552    which "x+y" is not a subexpression.)
4553 > has(x+1,x^$1);
4554 0
4555   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4556    "x^something".)
4557 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4558 1
4559 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4560 0
4561   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4562    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4563    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4564 @end example
4565
4566 @cindex @code{find()}
4567 The method
4568
4569 @example
4570 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4571 @end example
4572
4573 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4574 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4575 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4576 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4577 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4578
4579 @example
4580 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4581 @{x@}
4582 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4583 @{@}
4584 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4585 @{x^3,x^2@}
4586   (Note the absence of "x".)
4587 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4588 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4589 > find(%,sin($1));
4590 @{sin(y),sin(x)@}
4591 @end example
4592
4593 @subsection Substituting expressions
4594 @cindex @code{subs()}
4595 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4596 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4597 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4598 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4599 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4600
4601 Some examples:
4602
4603 @example
4604 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4605 b^3+a^3+(x+y)^3
4606 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4607 b^4+a^4+(x+y)^4
4608 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4609 (a+b+c)^2
4610 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4611 (x+c)^2
4612 > subs(a+2*b,a+b==x);
4613 a+2*b
4614 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4615 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4616 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4617 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4618 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4619 cos(1+cos(x))
4620 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4621 a+b
4622 @end example
4623
4624 The last example would be written in C++ in this way:
4625
4626 @example
4627 @{
4628     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4629     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4630     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4631     cout << e.expand() << endl;
4632      // -> a+b
4633 @}
4634 @end example
4635
4636 @subsection The option algebraic
4637 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4638 extra options. This section describes what happens if you give the former
4639 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4640 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4641 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4642 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4643 If you use these options you will find that
4644 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4645 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4646 often as is possible without getting negative exponents. For example
4647 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4648 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4649 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4650 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4651
4652 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4653 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4654
4655
4656 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4657 @c    node-name, next, previous, up
4658 @section Applying a function on subexpressions
4659 @cindex tree traversal
4660 @cindex @code{map()}
4661
4662 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4663 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4664 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4665 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4666 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4667 to do this manually which usually results in code like this:
4668
4669 @example
4670 ex calc_trace(ex e)
4671 @{
4672     if (is_a<matrix>(e))
4673         return ex_to<matrix>(e).trace();
4674     else if (is_a<add>(e)) @{
4675         ex sum = 0;
4676         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4677             sum += calc_trace(e.op(i));
4678         return sum;
4679     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4680         ...
4681     @} else @{
4682         ...
4683     @}
4684 @}
4685 @end example
4686
4687 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4688 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4689 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4690 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4691 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4692
4693 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4694 operations:
4695
4696 @example
4697 ex ex::map(map_function & f) const;
4698 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4699 @end example
4700
4701 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4702 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4703 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4704 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4705 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4706 non-recursively.
4707
4708 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4709 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4710 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4711 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4712 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4713
4714 @example
4715 struct calc_trace : public map_function @{
4716     ex operator()(const ex &e)
4717     @{
4718         if (is_a<matrix>(e))
4719             return ex_to<matrix>(e).trace();
4720         else if (is_a<mul>(e)) @{
4721             ...
4722         @} else
4723             return e.map(*this);
4724     @}
4725 @};
4726 @end example
4727
4728 This function object could then be used like this:
4729
4730 @example
4731 @{
4732     ex M = ... // expression with matrices
4733     calc_trace do_trace;
4734     ex tr = do_trace(M);
4735 @}
4736 @end example
4737
4738 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4739 terms in a variable from an expanded polynomial:
4740
4741 @example
4742 struct map_rem_quad : public map_function @{
4743     ex var;
4744     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4745
4746     ex operator()(const ex & e)
4747     @{
4748         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4749             return e.map(*this);
4750         else if (is_a<power>(e) && 
4751                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4752             return 0;
4753         else
4754             return e;
4755     @}
4756 @};
4757
4758 ...
4759
4760 @{
4761     symbol x("x"), y("y");
4762
4763     ex e;
4764     for (int i=0; i<8; i++)
4765         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4766     cout << e << endl;
4767      // -> 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
4768
4769     map_rem_quad rem_quad(x);
4770     cout << rem_quad(e) << endl;
4771      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4772 @}
4773 @end example
4774
4775 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4776 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4777 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4778 acts as the placeholder for the operands:
4779
4780 @example
4781 > map(a*b,sin($0));
4782 sin(a)*sin(b)
4783 > map(a+2*b,sin($0));
4784 sin(a)+sin(2*b)
4785 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4786 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4787 @end example
4788
4789 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4790 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4791 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4792
4793 @example
4794 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4795 @{0,0,0@}
4796   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4797   to "map(@{a,b,c@},0)".
4798 @end example
4799
4800
4801 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4802 @c    node-name, next, previous, up
4803 @section Visitors and tree traversal
4804 @cindex tree traversal
4805 @cindex @code{visitor} (class)
4806 @cindex @code{accept()}
4807 @cindex @code{visit()}
4808 @cindex @code{traverse()}
4809 @cindex @code{traverse_preorder()}
4810 @cindex @code{traverse_postorder()}
4811
4812 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4813 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4814 indices with variance you always want the covariant version returned.
4815
4816 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4817 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4818 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4819 with variance, one for plain ones).
4820
4821 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4822 such as the following:
4823
4824 @example
4825 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4826 @{
4827     if (is_a<varidx>(e)) @{
4828         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4829         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4830     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4831         l.append(e);
4832     @} else @{
4833         size_t n = e.nops();
4834         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4835             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4836     @}
4837 @}
4838
4839 lst gather_indices(const ex & e)
4840 @{
4841     lst l;
4842     gather_indices_helper(e, l);
4843     l.sort();
4844     l.unique();
4845     return l;
4846 @}
4847 @end example
4848
4849 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4850 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4851 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4852
4853 @example
4854     if (is_a<idx>(e)) @{
4855       ...
4856     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4857       ...
4858 @end example
4859
4860 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4861 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4862 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4863 executed.
4864
4865 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4866 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4867 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4868 write a function that required a different implementation for nearly
4869 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4870
4871 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4872 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4873 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4874 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4875 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4876 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4877 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4878 presented this would be impractical.
4879
4880 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4881 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4882 variation, described in detail in
4883 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4884 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4885 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4886 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4887 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4888 object that @code{accept()} was being invoked on.
4889
4890 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4891 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4892 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4893 each class.
4894
4895 A call of
4896
4897 @example
4898 void ex::accept(visitor & v) const;
4899 @end example
4900
4901 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4902 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4903 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4904
4905 Here is an example of a visitor:
4906
4907 @example
4908 class my_visitor
4909  : public visitor,          // this is required
4910    public add::visitor,     // visit add objects
4911    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4912    public basic::visitor    // visit basic objects
4913 @{
4914     void visit(const add & x)
4915     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4916
4917     void visit(const numeric & x)
4918     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4919
4920     void visit(const basic & x)
4921     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4922 @};
4923 @end example
4924
4925 which can be used as follows:
4926
4927 @example
4928 ...
4929     symbol x("x");
4930     ex e1 = 42;
4931     ex e2 = 4*x-3;
4932     ex e3 = 8*x;
4933
4934     my_visitor v;
4935     e1.accept(v);
4936      // prints "called with a numeric object"
4937     e2.accept(v);
4938      // prints "called with an add object"
4939     e3.accept(v);
4940      // prints "called with a basic object"
4941 ...
4942 @end example
4943
4944 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4945 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4946
4947 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4948 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4949 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4950 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4951 hierarchies of visitors.
4952
4953 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4954
4955 @example
4956 class gather_indices_visitor
4957  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4958 @{
4959     lst l;
4960
4961     void visit(const idx & i)
4962     @{
4963         l.append(i);
4964     @}
4965
4966     void visit(const varidx & vi)
4967     @{
4968         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4969     @}
4970
4971 public:
4972     const lst & get_result() // utility function
4973     @{
4974         l.sort();
4975         l.unique();
4976         return l;
4977     @}
4978 @};
4979 @end example
4980
4981 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4982 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4983
4984 @example
4985 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4986 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4987 void ex::traverse(visitor & v) const;
4988 @end example
4989
4990 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4991 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4992 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4993 @code{traverse_preorder()}.
4994
4995 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4996 and @code{traverse()}:
4997
4998 @example
4999 lst gather_indices(const ex & e)
5000 @{
5001     gather_indices_visitor v;
5002     e.traverse(v);
5003     return v.get_result();
5004 @}
5005 @end example
5006
5007 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5008 traversal:
5009
5010 @example
5011 lst gather_indices(const ex & e)
5012 @{
5013     gather_indices_visitor v;
5014     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5015          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5016         i->accept(v);
5017     @}
5018     return v.get_result();
5019 @}
5020 @end example
5021
5022
5023 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5024 @c    node-name, next, previous, up
5025 @section Polynomial arithmetic
5026
5027 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5028 @cindex @code{is_polynomial()}
5029
5030 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5031 can be done with the method
5032 @example
5033 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5034 @end example
5035 In the case of more than
5036 one variable, the variables are given as a list.
5037
5038 @example
5039 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5040 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5041 @end example
5042
5043 @subsection Expanding and collecting
5044 @cindex @code{expand()}
5045 @cindex @code{collect()}
5046 @cindex @code{collect_common_factors()}
5047
5048 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5049 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5050 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5051 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5052 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5053 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5054 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5055 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5056 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5057 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5058 x*z}.
5059
5060 To bring an expression into expanded form, its method
5061
5062 @example
5063 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5064 @end example
5065
5066 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5067 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5068 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5069 orderings of terms in such sums!
5070
5071 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5072 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5073 being polynomials in the remaining variables.  The method
5074 @code{collect()} accomplishes this task:
5075
5076 @example
5077 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5078 @end example
5079
5080 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5081 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5082 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5083 by the @code{distributed} flag.
5084
5085 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5086 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5087 coefficients properly.
5088
5089 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5090 together with @code{find()}:
5091
5092 @example
5093 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5094 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)
5095 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5096 > collect(a,@{p,q@});
5097 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5098 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5099 > collect(a,find(a,sin($1)));
5100 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5101 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5102 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5103 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5104 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5105 @end example
5106
5107 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5108 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5109
5110 @example
5111 ex collect_common_factors(const ex & e);
5112 @end example
5113
5114 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5115 factors which are already explicitly present:
5116
5117 @example
5118 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5119 (x+y)*a
5120 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5121 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5122 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5123 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5124 @end example
5125
5126 @subsection Degree and coefficients
5127 @cindex @code{degree()}
5128 @cindex @code{ldegree()}
5129 @cindex @code{coeff()}
5130
5131 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5132 using the two methods
5133
5134 @example
5135 int ex::degree(const ex & s);
5136 int ex::ldegree(const ex & s);
5137 @end example
5138
5139 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5140 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5141 with a certain power from an expanded polynomial you use
5142
5143 @example
5144 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5145 @end example
5146
5147 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5148
5149 @example
5150 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5151 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5152 @end example
5153
5154 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5155 respectively.
5156
5157 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5158 polynomial is analyzed:
5159
5160 @example
5161 @{
5162     symbol x("x"), y("y");
5163     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5164                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5165     ex Poly = PolyInp.expand();
5166     
5167     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5168         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5169              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5170     @}
5171     cout << "As polynomial in y: " 
5172          << Poly.collect(y) << endl;
5173 @}
5174 @end example
5175
5176 When run, it returns an output in the following fashion:
5177
5178 @example
5179 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5180 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5181 The x^2-coefficient is -1
5182 The x^3-coefficient is 4*y
5183 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5184 @end example
5185
5186 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5187 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5188 within the user's sphere of influence.
5189
5190 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5191 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5192 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5193 constants, functions and indexed objects as well:
5194
5195 @example
5196 @{
5197     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5198     idx i(symbol("i"), 3);
5199
5200     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5201     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5202      // -> 4
5203     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5204      // -> -4*cos(x)
5205
5206     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5207     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5208     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5209      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5210 @}
5211 @end example
5212
5213
5214 @subsection Polynomial division
5215 @cindex polynomial division
5216 @cindex quotient
5217 @cindex remainder
5218 @cindex pseudo-remainder
5219 @cindex @code{quo()}
5220 @cindex @code{rem()}
5221 @cindex @code{prem()}
5222 @cindex @code{divide()}
5223
5224 The two functions
5225
5226 @example
5227 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5228 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5229 @end example
5230
5231 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5232 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5233
5234 The additional function
5235
5236 @example
5237 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5238 @end example
5239
5240 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5241 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5242
5243 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5244
5245 @example
5246 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5247 @end example
5248
5249 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5250 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5251 in which case the value of @code{q} is undefined.
5252
5253
5254 @subsection Unit, content and primitive part
5255 @cindex @code{unit()}
5256 @cindex @code{content()}
5257 @cindex @code{primpart()}
5258 @cindex @code{unitcontprim()}
5259
5260 The methods
5261
5262 @example
5263 ex ex::unit(const ex & x);
5264 ex ex::content(const ex & x);
5265 ex ex::primpart(const ex & x);
5266 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5267 @end example
5268
5269 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5270 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5271 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5272 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5273 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5274 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5275 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5276 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5277
5278 Additionally, the method
5279
5280 @example
5281 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5282 @end example
5283
5284 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5285 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5286
5287
5288 @subsection GCD, LCM and resultant
5289 @cindex GCD
5290 @cindex LCM
5291 @cindex @code{gcd()}
5292 @cindex @code{lcm()}
5293
5294 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5295 multiple have the synopsis
5296
5297 @example
5298 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5299 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5300 @end example
5301
5302 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5303 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5304 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5305 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5306 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5307 the coefficients must be rationals.
5308
5309 @example
5310 #include <ginac/ginac.h>
5311 using namespace GiNaC;
5312
5313 int main()
5314 @{
5315     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5316     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5317     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5318
5319     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5320     // x + 5*y + 4*z
5321     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5322     // 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
5323 @}
5324 @end example
5325
5326 @cindex resultant
5327 @cindex @code{resultant()}
5328
5329 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5330 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5331 expressions. The function has the interface
5332
5333 @example
5334 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5335 @end example
5336
5337 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5338 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5339 @code{y}, respectively:
5340
5341 @example
5342 #include <ginac/ginac.h>
5343 using namespace GiNaC;
5344
5345 int main()
5346 @{
5347     symbol x("x"), y("y");
5348
5349     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5350     ex r;
5351     
5352     r = resultant(e1, e2, x); 
5353     // -> 1+2*y^6
5354     r = resultant(e1, e2, y); 
5355     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5356 @}
5357 @end example
5358
5359 @subsection Square-free decomposition
5360 @cindex square-free decomposition
5361 @cindex factorization
5362 @cindex @code{sqrfree()}
5363
5364 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5365 @example
5366 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5367 @end example
5368 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5369 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5370 some care with subsequent processing of the result:
5371 @example
5372     ...
5373     symbol x("x"), y("y");
5374     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5375
5376     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5377      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5378
5379     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5380      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5381
5382     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5383      // -> depending on luck, any of the above
5384     ...
5385 @end example
5386 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5387 with this method.
5388
5389 @subsection Polynomial factorization
5390 @cindex factorization
5391 @cindex polynomial factorization
5392 @cindex @code{factor()}
5393
5394 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5395 @example
5396 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5397 @end example
5398 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5399 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5400 @example
5401     ...
5402     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5403      // -> (1+x)*(-1+x)
5404     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5405      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5406     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5407      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5408     ...
5409 @end example
5410 The results are as expected except for the last one where no factorization
5411 seems to have been done. This is due to the default option
5412 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5413 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5414 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5415
5416 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5417 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5418 arguments. With this option the example gives:
5419 @example
5420     ...
5421     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5422          << endl;
5423      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5424     ...
5425 @end example
5426 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5427 the following example does not factor:
5428 @example
5429     ...
5430     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5431      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5432     ...
5433 @end example
5434 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5435 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5436 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5437 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5438 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5439 cheaper and more appropriate alternative.
5440
5441 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5442 @c    node-name, next, previous, up
5443 @section Rational expressions
5444
5445 @subsection The @code{normal} method
5446 @cindex @code{normal()}
5447 @cindex simplification
5448 @cindex temporary replacement
5449
5450 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5451 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5452 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5453 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5454 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5455 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5456
5457 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5458 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5459 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5460 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5461 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5462 @code{.to_rational()}, described below.
5463
5464 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5465 simplified in this little code snippet:
5466
5467 @example
5468 @{
5469     symbol x("x");
5470     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5471     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5472     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5473     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5474 @}
5475 @end example
5476
5477 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5478 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5479 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5480
5481
5482 @subsection Numerator and denominator
5483 @cindex numerator
5484 @cindex denominator
5485 @cindex @code{numer()}
5486 @cindex @code{denom()}
5487 @cindex @code{numer_denom()}
5488
5489 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5490
5491 @example
5492 ex ex::numer();
5493 ex ex::denom();
5494 ex ex::numer_denom();
5495 @end example
5496
5497 These functions will first normalize the expression as described above and
5498 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5499 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5500 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5501 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5502 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5503 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5504
5505
5506 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5507 @cindex @code{to_polynomial()}
5508 @cindex @code{to_rational()}
5509
5510 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5511 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5512 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5513 above. You do this by calling
5514
5515 @example
5516 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5517 @end example
5518 or
5519 @example
5520 ex ex::to_rational(exmap & m);
5521 @end example
5522
5523 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5524 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5525 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5526 already contain a list of replacements from an earlier application of
5527 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5528 it on multiple expressions and get consistent results.
5529
5530 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5531 is probably best illustrated with an example:
5532
5533 @example
5534 @{
5535     symbol x("x"), y("y");
5536     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5537     cout << a << endl;
5538
5539     exmap mp;
5540     ex p = a.to_polynomial(mp);
5541     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5542      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5543      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5544
5545     exmap mr;
5546     ex r = a.to_rational(mr);
5547     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5548      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5549      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5550 @}
5551 @end example
5552
5553 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5554
5555 @example
5556 @{
5557     symbol x("x");
5558     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5559     ex b = sin(x) + cos(x);
5560     ex q;
5561     exmap m;
5562     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5563     cout << q.subs(m) << endl;
5564 @}
5565 @end example
5566
5567
5568 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5569 @c    node-name, next, previous, up
5570 @section Symbolic differentiation
5571 @cindex differentiation
5572 @cindex @code{diff()}
5573 @cindex chain rule
5574 @cindex product rule
5575
5576 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5577 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5578 the derivatives of all the monomials:
5579
5580 @example
5581 @{
5582     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5583     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5584
5585     cout << P.diff(x,2) << endl;
5586      // -> 20*x^3 + 2
5587     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5588      // -> 1
5589     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5590      // -> 0
5591 @}
5592 @end example
5593
5594 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5595 returns the @var{n}th derivative.
5596
5597 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5598 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5599 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5600 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5601 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5602 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5603 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5604 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5605 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5606 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5607 lines:
5608
5609 @cindex Euler numbers
5610 @example
5611 #include <ginac/ginac.h>
5612 using namespace GiNaC;
5613
5614 ex EulerNumber(unsigned n)
5615 @{
5616     symbol x;
5617     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5618     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5619 @}
5620
5621 int main()
5622 @{
5623     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5624         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5625     return 0;
5626 @}
5627 @end example
5628
5629 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5630 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5631 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5632
5633
5634 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5635 @c    node-name, next, previous, up
5636 @section Series expansion
5637 @cindex @code{series()}
5638 @cindex Taylor expansion
5639 @cindex Laurent expansion
5640 @cindex @code{pseries} (class)
5641 @cindex @code{Order()}
5642
5643 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5644 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5645 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5646 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5647 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5648 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5649 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5650 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5651 term).  A sample application from special relativity could read:
5652
5653 @example
5654 #include <ginac/ginac.h>
5655 using namespace std;
5656 using namespace GiNaC;
5657
5658 int main()
5659 @{
5660     symbol v("v"), c("c");
5661     
5662     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5663     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5664     
5665     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5666          << mass_nonrel << endl;
5667     
5668     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5669          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5670 @}
5671 @end example
5672
5673 Only calling the series method makes the last output simplify to
5674 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5675 series raised to the power @math{-2}.
5676
5677 @cindex Machin's formula
5678 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5679 value of Archimedes' constant
5680 @tex
5681 $\pi$
5682 @end tex
5683 @ifnottex
5684 @math{Pi}
5685 @end ifnottex
5686 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5687 using John Machin's amazing formula
5688 @tex
5689 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5690 @end tex
5691 @ifnottex
5692 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5693 @end ifnottex
5694 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5695 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5696 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5697 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5698 order term with it and the question arises what the system is supposed
5699 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5700 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5701 term off:
5702
5703 @example
5704 #include <ginac/ginac.h>
5705 using namespace GiNaC;
5706
5707 ex machin_pi(int degr)
5708 @{
5709     symbol x;
5710     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5711     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5712                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5713     return pi_approx;
5714 @}
5715
5716 int main()
5717 @{
5718     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5719     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5720     ex pi_frac;
5721     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5722         pi_frac = machin_pi(i);
5723         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5724              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5725     @}
5726     return 0;
5727 @}
5728 @end example
5729
5730 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5731 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5732 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5733 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5734 program, it will type out:
5735
5736 @example
5737 2:      3804/1195
5738         3.1832635983263598326
5739 4:      5359397032/1706489875
5740         3.1405970293260603143
5741 6:      38279241713339684/12184551018734375
5742         3.141621029325034425
5743 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5744         3.141591772182177295
5745 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5746         3.1415926824043995174
5747 @end example
5748
5749
5750 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5751 @c    node-name, next, previous, up
5752 @section Symmetrization
5753 @cindex @code{symmetrize()}
5754 @cindex @code{antisymmetrize()}
5755 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5756
5757 The three methods
5758
5759 @example
5760 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5761 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5762 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5763 @end example
5764
5765 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5766 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5767 weighted by the number of permutations.
5768
5769 The three additional methods
5770
5771 @example
5772 ex ex::symmetrize();
5773 ex ex::antisymmetrize();
5774 ex ex::symmetrize_cyclic();
5775 @end example
5776
5777 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5778
5779 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5780 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5781
5782 @example
5783 @{
5784     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5785     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5786                                            
5787     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5788      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5789     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5790      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5791     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5792      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5793 @}
5794 @end example
5795
5796 @page
5797
5798 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5799 @c    node-name, next, previous, up
5800 @section Predefined mathematical functions
5801 @c
5802 @subsection Overview
5803
5804 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5805
5806 @cartouche
5807 @multitable @columnfractions .30 .70
5808 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5809 @item @code{abs(x)}
5810 @tab absolute value
5811 @cindex @code{abs()}
5812 @item @code{step(x)}
5813 @tab step function
5814 @cindex @code{step()}
5815 @item @code{csgn(x)}
5816 @tab complex sign
5817 @cindex @code{conjugate()}
5818 @item @code{conjugate(x)}
5819 @tab complex conjugation
5820 @cindex @code{real_part()}
5821 @item @code{real_part(x)}
5822 @tab real part
5823 @cindex @code{imag_part()}
5824 @item @code{imag_part(x)}
5825 @tab imaginary part
5826 @item @code{sqrt(x)}
5827 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5828 @cindex @code{sqrt()}
5829 @item @code{sin(x)}
5830 @tab sine
5831 @cindex @code{sin()}
5832 @item @code{cos(x)}
5833 @tab cosine
5834 @cindex @code{cos()}
5835 @item @code{tan(x)}
5836 @tab tangent
5837 @cindex @code{tan()}
5838 @item @code{asin(x)}
5839 @tab inverse sine
5840 @cindex @code{asin()}
5841 @item @code{acos(x)}
5842 @tab inverse cosine
5843 @cindex @code{acos()}
5844 @item @code{atan(x)}
5845 @tab inverse tangent
5846 @cindex @code{atan()}
5847 @item @code{atan2(y, x)}
5848 @tab inverse tangent with two arguments
5849 @item @code{sinh(x)}
5850 @tab hyperbolic sine
5851 @cindex @code{sinh()}
5852 @item @code{cosh(x)}
5853 @tab hyperbolic cosine
5854 @cindex @code{cosh()}
5855 @item @code{tanh(x)}
5856 @tab hyperbolic tangent
5857 @cindex @code{tanh()}
5858 @item @code{asinh(x)}
5859 @tab inverse hyperbolic sine
5860 @cindex @code{asinh()}
5861 @item @code{acosh(x)}
5862 @tab inverse hyperbolic cosine
5863 @cindex @code{acosh()}
5864 @item @code{atanh(x)}
5865 @tab inverse hyperbolic tangent
5866 @cindex @code{atanh()}
5867 @item @code{exp(x)}
5868 @tab exponential function
5869 @cindex @code{exp()}
5870 @item @code{log(x)}
5871 @tab natural logarithm
5872 @cindex @code{log()}
5873 @item @code{eta(x,y)}
5874 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5875 @cindex @code{eta()}
5876 @item @code{Li2(x)}
5877 @tab dilogarithm
5878 @cindex @code{Li2()}
5879 @item @code{Li(m, x)}
5880 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5881 @cindex @code{Li()}
5882 @item @code{G(a, y)}
5883 @tab multiple polylogarithm
5884 @cindex @code{G()}
5885 @item @code{G(a, s, y)}
5886 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5887 @cindex @code{G()}
5888 @item @code{S(n, p, x)}
5889 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5890 @cindex @code{S()}
5891 @item @code{H(m, x)}
5892 @tab harmonic polylogarithm
5893 @cindex @code{H()}
5894 @item @code{zeta(m)}
5895 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5896 @cindex @code{zeta()}
5897 @item @code{zeta(m, s)}
5898 @tab alternating Euler sum
5899 @cindex @code{zeta()}
5900 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5901 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5902 @item @code{tgamma(x)}
5903 @tab gamma function
5904 @cindex @code{tgamma()}
5905 @cindex gamma function
5906 @item @code{lgamma(x)}
5907 @tab logarithm of gamma function
5908 @cindex @code{lgamma()}
5909 @item @code{beta(x, y)}
5910 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5911 @cindex @code{beta()}
5912 @item @code{psi(x)}
5913 @tab psi (digamma) function
5914 @cindex @code{psi()}
5915 @item @code{psi(n, x)}
5916 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5917 @item @code{factorial(n)}
5918 @tab factorial function @math{n!}
5919 @cindex @code{factorial()}
5920 @item @code{binomial(n, k)}
5921 @tab binomial coefficients
5922 @cindex @code{binomial()}
5923 @item @code{Order(x)}
5924 @tab order term function in truncated power series
5925 @cindex @code{Order()}
5926 @end multitable
5927 @end cartouche
5928
5929 @cindex branch cut
5930 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5931 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5932 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5933 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5934 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5935 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5936 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5937 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5938 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5939 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5940 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5941 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5942 counter clockwise direction.
5943
5944 @c
5945 @subsection Expanding functions
5946 @cindex expand trancedent functions
5947 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5948 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5949 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5950 @tex
5951 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5952 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5953 @end tex
5954 @ifnottex
5955 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5956 @end ifnottex
5957 or
5958 @tex
5959 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5960 @end tex
5961 @ifnottex
5962 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5963 @end ifnottex
5964 (for positive
5965 @tex
5966 $c,\ d$
5967 @end tex
5968 @ifnottex
5969 @command{c, d}
5970 @end ifnottex
5971 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5972 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5973 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
5974 usage and interaction can be seen from the following example:
5975 @example
5976 @{
5977         symbol x("x"),  y("y");
5978         ex e=exp(pow(x+y,2));
5979         cout << e.expand() << endl;
5980         // -> exp((x+y)^2)
5981         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
5982         // -> exp((x+y)^2)
5983         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
5984         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
5985         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
5986                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
5987         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
5988 @}
5989 @end example
5990 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
5991 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
5992 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
5993 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
5994 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
5995 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
5996
5997 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5998 @c    node-name, next, previous, up
5999 @subsection Multiple polylogarithms
6000
6001 @cindex polylogarithm
6002 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6003 @cindex harmonic polylogarithm
6004 @cindex multiple zeta value
6005 @cindex alternating Euler sum
6006 @cindex multiple polylogarithm
6007
6008 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6009 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6010 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6011 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6012 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6013 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6014 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6015 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6016 notations are more natural to the series representation or the integral
6017 representation, respectively.
6018
6019 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6020 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6021 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6022
6023 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6024 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6025 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6026 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6027 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6028 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6029 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6030 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6031 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6032 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6033 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6034
6035 The functions print in LaTeX format as
6036 @tex
6037 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6038 @end tex
6039 @tex
6040 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6041 @end tex
6042 @tex
6043 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6044 @end tex
6045 @tex
6046 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6047 @end tex
6048 @ifnottex
6049 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6050 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6051 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6052 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6053 @end ifnottex
6054 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6055 are printed with a line above, e.g.
6056 @tex
6057 $\zeta(5,\overline{2})$.
6058 @end tex
6059 @ifnottex
6060 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6061 @end ifnottex
6062 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6063
6064 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6065 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6066 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6067 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6068
6069 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6070 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6071 the series representation. This means
6072 @tex
6073 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6074 @end tex
6075 @tex
6076 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6077 @end tex
6078 @tex
6079 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6080 @end tex
6081 @ifnottex
6082 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6083 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6084 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6085 @end ifnottex
6086 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6087 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6088
6089 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6090 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6091 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6092 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6093 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6094 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6095 @tex
6096 $\zeta(\overline{3},4)$
6097 @end tex
6098 @ifnottex
6099 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6100 @end ifnottex
6101 and
6102 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6103 @tex
6104 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6105 @end tex
6106 @ifnottex
6107 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6108 @end ifnottex
6109 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6110 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6111 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
6112 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6113 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6114 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6115 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6116
6117 @example
6118 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6119 S(2,2,x)
6120 > H(@{-3,2@},1);
6121 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6122 > S(3,1,1);
6123 1/90*Pi^4
6124 @end example
6125
6126 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6127 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6128 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6129 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6130 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6131 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6132
6133 @example
6134 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6135 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6136 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6137 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6138 @end example
6139
6140 Every function can be numerically evaluated for
6141 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6142 global variable @code{Digits}:
6143
6144 @example
6145 > Digits=100;
6146 100
6147 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6148 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6149 @end example
6150
6151 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6152 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6153
6154 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6155 unevaluated, e.g.
6156 @tex
6157 $\zeta(1)$.
6158 @end tex
6159 @ifnottex
6160 @command{zeta(1)}.
6161 @end ifnottex
6162 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6163 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6164 cancellations of divergencies happen.
6165
6166 Useful publications:
6167
6168 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6169 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6170
6171 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6172 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6173
6174 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6175 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6176
6177 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6178 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6179
6180 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6181 @c    node-name, next, previous, up
6182 @section Complex expressions
6183 @c
6184 @cindex @code{conjugate()}
6185
6186 For dealing with complex expressions there are the methods
6187
6188 @example
6189 ex ex::conjugate();
6190 ex ex::real_part();
6191 ex ex::imag_part();
6192 @end example
6193
6194 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6195 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6196 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6197 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6198 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6199 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6200 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6201 (symbols are complex by default), one could not simplify
6202 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6203 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6204
6205 For example,
6206 @example
6207 @{
6208     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6209     symbol x("x");
6210     realsymbol y("y");
6211                                            
6212     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6213      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6214     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6215      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6216 @}
6217 @end example
6218
6219 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6220 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6221 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6222 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6223 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6224 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6225 parts of user-defined functions.
6226
6227 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6228 @c    node-name, next, previous, up
6229 @section Solving linear systems of equations
6230 @cindex @code{lsolve()}
6231
6232 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6233 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6234 needs to be solved:
6235
6236 @example
6237 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6238           unsigned options = solve_algo::automatic);
6239 @end example
6240
6241 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6242 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6243 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6244 @code{lst}).
6245
6246 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6247 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6248
6249 @example
6250 @{
6251     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6252     lst eqns = @{a*x+b*y==3, x-y==b@};
6253     lst vars = @{x, y@};
6254     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6255      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6256 @end example
6257
6258 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6259 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6260 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6261 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6262 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6263 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6264 around that method.
6265
6266
6267 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6268 @c    node-name, next, previous, up
6269 @section Input and output of expressions
6270 @cindex I/O
6271
6272 @subsection Expression output
6273 @cindex printing
6274 @cindex output of expressions
6275
6276 Expressions can simply be written to any stream:
6277
6278 @example
6279 @{
6280     symbol x("x");
6281     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6282     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6283     // ...
6284 @end example
6285
6286 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6287 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6288 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6289 is printed as @samp{x^2}).
6290
6291 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6292 a set of stream manipulators;
6293
6294 @example
6295 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6296 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6297 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6298 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6299 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6300 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6301 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6302 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6303 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6304 @end example
6305
6306 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6307 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6308 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6309
6310 @cindex @code{dflt}
6311 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6312 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6313
6314 @example
6315     // ...
6316     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6317                               // now on
6318     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6319     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6320     cout << dflt;             // revert to default output format
6321     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6322     // ...
6323 @end example
6324
6325 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6326 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6327
6328 @example
6329     // ...
6330     ostringstream s;
6331     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6332     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6333     // ...
6334 @end example
6335
6336 @anchor{csrc printing}
6337 @cindex @code{csrc}
6338 @cindex @code{csrc_float}
6339 @cindex @code{csrc_double}
6340 @cindex @code{csrc_cl_N}
6341 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6342 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6343 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6344 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6345 classes provided by the CLN library):
6346
6347 @example
6348     // ...
6349     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6350     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6351     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6352     // ...
6353 @end example
6354
6355 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6356 @code{x*x}):
6357
6358 @example
6359 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6360 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6361 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6362 @end example
6363
6364 @cindex @code{tree}
6365 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6366 expression for debugging purposes:
6367
6368 @example
6369     // ...
6370     cout << tree << e;
6371 @}
6372 @end example
6373
6374 produces
6375
6376 @example
6377 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6378     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6379         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6380         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6381     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6382     -----
6383     overall_coeff
6384     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6385     =====
6386 @end example
6387
6388 @cindex @code{latex}
6389 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6390 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6391 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6392 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6393 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6394 constructor.
6395
6396 For example, the code snippet
6397
6398 @example
6399 @{
6400     symbol x("x", "\\circ");
6401     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6402     cout << latex << e << endl;
6403 @}
6404 @end example
6405
6406 will print
6407
6408 @example
6409     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6410     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6411 @end example
6412
6413 @cindex @code{index_dimensions}
6414 @cindex @code{no_index_dimensions}
6415 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6416 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6417 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6418 formats:
6419
6420 @example
6421 @{
6422     symbol x("x"), y("y");
6423     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6424     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6425
6426     cout << e << endl;
6427      // prints 'x~mu*y~nu'
6428     cout << index_dimensions << e << endl;
6429      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6430     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6431      // prints 'x~mu*y~nu'
6432 @}
6433 @end example
6434
6435
6436 @cindex Tree traversal
6437 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6438 with other algebra systems or for producing code for different
6439 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6440
6441 @example
6442 static void my_print(const ex & e)
6443 @{
6444     if (is_a<function>(e))
6445         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6446     else
6447         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6448     cout << "(";
6449     size_t n = e.nops();
6450     if (n)
6451         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6452             my_print(e.op(i));
6453             if (i != n-1)
6454                 cout << ",";
6455         @}
6456     else
6457         cout << e;
6458     cout << ")";
6459 @}
6460
6461 int main()
6462 @{
6463     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6464     return 0;
6465 @}
6466 @end example
6467
6468 This will produce
6469
6470 @example
6471 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6472 symbol(y))),numeric(-2)))
6473 @end example
6474
6475 If you need an output format that makes it possible to accurately
6476 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6477 object factory, you should consider storing the expression in an
6478 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6479 See the section on archiving for more information.
6480
6481
6482 @subsection Expression input
6483 @cindex input of expressions
6484
6485 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6486 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6487 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6488 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6489 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6490
6491 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6492 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6493
6494 @example
6495 @{
6496     symbol x, y;
6497     symtab table;
6498     table["x"] = x;
6499     table["y"] = y;
6500     parser reader(table);
6501     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6502 @}
6503 @end example
6504
6505 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6506 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6507 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6508 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6509 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6510 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6511
6512 @example
6513 @{
6514     symbol x, y;
6515     symtab table;
6516     table["x"] = x+log(y)+1;
6517     parser reader(table);
6518     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6519     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6520 @}
6521 @end example
6522
6523 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6524 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6525 with @code{get_syms()} method:
6526
6527 @example
6528 @{
6529     parser reader;
6530     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6531     symtab table = reader.get_syms();
6532     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6533     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6534 @}
6535 @end example
6536
6537 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6538 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6539
6540 @example
6541 @{
6542         symtab table;
6543         table["x"] = symbol();
6544         parser reader(table);
6545         parser.strict = true;
6546         ex e;
6547         try @{
6548                 e = reader("2*x+sin(y)");
6549         @} catch (parse_error& err) @{
6550                 cerr << err.what() << endl;
6551                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6552         @}
6553 @}
6554 @end example
6555
6556 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6557 When running the following program interactively, remember to send an
6558 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6559
6560 @example
6561 #include <iostream>
6562 #include <string>
6563 #include <stdexcept>
6564 #include <ginac/ginac.h>
6565 using namespace std;
6566 using namespace GiNaC;
6567
6568 int main()
6569 @{
6570         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6571         parser reader;
6572
6573         try @{
6574                 ex e = reader(cin);
6575                 symtab table = reader.get_syms();
6576                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6577                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6578                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6579                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6580         @} catch (exception &p) @{
6581                 cerr << p.what() << endl;
6582         @}
6583 @}
6584 @end example
6585
6586 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6587 @cindex compiling expressions
6588
6589 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6590 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6591 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6592 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6593 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6594 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6595 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6596 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6597 the numerical evaluation into different execution stages.
6598
6599 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6600 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6601 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6602 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6603 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6604 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6605
6606 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6607
6608 @example
6609     // ...
6610     symbol x("x");
6611     ex myexpr = sin(x) / x;
6612
6613     FUNCP_1P fp;
6614     compile_ex(myexpr, x, fp);
6615
6616     cout << fp(3.2) << endl;
6617     // ...
6618 @end example
6619
6620 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6621 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6622 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6623 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6624
6625 @cindex FUNCP_1P
6626 @cindex FUNCP_2P
6627 @cindex FUNCP_CUBA
6628 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6629 pointer types at the moment:
6630
6631 @example
6632     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6633     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6634     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6635 @end example
6636
6637 @cindex CUBA library
6638 @cindex Monte Carlo integration
6639 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6640 the correct type to be used with the CUBA library
6641 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6642 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6643
6644 @cindex compile_ex
6645 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6646
6647 @example
6648     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6649                     const std::string filename = "");
6650     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6651                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6652     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6653                     const std::string filename = "");
6654 @end example
6655
6656 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6657 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6658 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6659 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6660 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6661 deleted.
6662
6663 @cindex link_ex
6664 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6665 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6666 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6667 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6668 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6669 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6670 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6671
6672 @example
6673     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6674     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6675     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6676 @end example
6677
6678 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6679 to be supplied.
6680
6681 The function
6682
6683 @cindex unlink_ex
6684 @example
6685     void unlink_ex(const std::string filename);
6686 @end example
6687
6688 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6689 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6690 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6691 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6692
6693 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6694 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6695 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6696 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6697 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6698 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6699 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6700 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6701
6702 @cindex ginac-excompiler
6703 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6704 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6705 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6706 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6707 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6708
6709 @example
6710 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6711 compile_ex(...);
6712 @end example
6713
6714 @subsection Archiving
6715 @cindex @code{archive} (class)
6716 @cindex archiving
6717
6718 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6719 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6720 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6721 expression a unique name:
6722
6723 @example
6724 #include <fstream>
6725 using namespace std;
6726 #include <ginac/ginac.h>
6727 using namespace GiNaC;
6728
6729 int main()
6730 @{
6731     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6732
6733     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6734     ex bar = foo + 1;
6735
6736     archive a;
6737     a.archive_ex(foo, "foo");
6738     a.archive_ex(bar, "the second one");
6739     // ...
6740 @end example
6741
6742 The archive can then be written to a file:
6743
6744 @example
6745     // ...
6746     ofstream out("foobar.gar");
6747     out << a;
6748     out.close();
6749     // ...
6750 @end example
6751
6752 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6753 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6754
6755 @cindex @command{viewgar}
6756 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6757 the contents of GiNaC archive files:
6758
6759 @example
6760 $ viewgar foobar.gar
6761 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6762 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6763 @end example
6764
6765 The point of writing archive files is of course that they can later be
6766 read in again:
6767
6768 @example
6769     // ...
6770     archive a2;
6771     ifstream in("foobar.gar");
6772     in >> a2;
6773     // ...
6774 @end example
6775
6776 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6777
6778 @example
6779     // ...
6780     lst syms = @{x, y@};
6781
6782     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6783     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6784
6785     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6786     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6787     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6788 @}
6789 @end example
6790
6791 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6792 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6793 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6794 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6795 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6796 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6797 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6798 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6799
6800 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6801 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6802 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6803 functions that let you access the stored properties:
6804
6805 @example
6806 static void my_print2(const archive_node & n)
6807 @{
6808     string class_name;
6809     n.find_string("class", class_name);
6810     cout << class_name << "(";
6811
6812     archive_node::propinfovector p;
6813     n.get_properties(p);
6814
6815     size_t num = p.size();
6816     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6817         const string &name = p[i].name;
6818         if (name == "class")
6819             continue;
6820         cout << name << "=";
6821
6822         unsigned count = p[i].count;
6823         if (count > 1)
6824             cout << "@{";
6825
6826         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6827             switch (p[i].type) @{
6828                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6829                     bool x;
6830                     n.find_bool(name, x, j);
6831                     cout << (x ? "true" : "false");
6832                     break;
6833                 @}
6834                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6835                     unsigned x;
6836                     n.find_unsigned(name, x, j);
6837                     cout << x;
6838                     break;
6839                 @}
6840                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6841                     string x;
6842                     n.find_string(name, x, j);
6843                     cout << '\"' << x << '\"';
6844                     break;
6845                 @}
6846                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6847                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6848                     my_print2(x);
6849                     break;
6850                 @}
6851             @}
6852
6853             if (j != count-1)
6854                 cout << ",";
6855         @}
6856
6857         if (count > 1)
6858             cout << "@}";
6859
6860         if (i != num-1)
6861             cout << ",";
6862     @}
6863
6864     cout << ")";
6865 @}
6866
6867 int main()
6868 @{
6869     ex e = pow(2, x) - y;
6870     archive ar(e, "e");
6871     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6872     return 0;
6873 @}
6874 @end example
6875
6876 This will produce:
6877
6878 @example
6879 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6880 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6881 overall_coeff=numeric(number="0"))
6882 @end example
6883
6884 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6885 class may change between GiNaC versions.
6886
6887
6888 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6889 @c    node-name, next, previous, up
6890 @chapter Extending GiNaC
6891
6892 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6893 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6894 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6895 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6896 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6897 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6898
6899 @menu
6900 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6901 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6902 * Printing::                         Adding new output formats.
6903 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6904 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6905 @end menu
6906
6907
6908 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6909 @c    node-name, next, previous, up
6910 @section What doesn't belong into GiNaC
6911
6912 @cindex @command{ginsh}
6913 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6914 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6915 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6916 language.  There are no loops or conditional expressions in
6917 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6918 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6919 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6920 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6921 the future.
6922
6923 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6924 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6925 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6926 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6927 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6928 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6929 provided by CLN are much better suited.
6930
6931
6932 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6933 @c    node-name, next, previous, up
6934 @section Symbolic functions
6935
6936 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6937 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6938 two preprocessor macros:
6939
6940 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6941 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6942 @example
6943 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6944 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6945 @end example
6946
6947 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6948 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6949 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6950 @code{function} object that represents your function.
6951
6952 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6953 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6954 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6955 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6956 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6957 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6958 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6959 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6960
6961 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6962 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6963 done our best to avoid macros where we can.)
6964
6965 @subsection A minimal example
6966
6967 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6968 that is not further evaluated:
6969
6970 @example
6971 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6972
6973 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6974 @end example
6975
6976 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6977 in algebraic expressions:
6978
6979 @example
6980 @{
6981     ...
6982     symbol x("x");
6983     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6984     cout << e << endl;
6985      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6986     ...
6987 @}
6988 @end example
6989
6990 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6991 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6992 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6993 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6994
6995 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6996 example of how to make an "intelligent" function.
6997
6998 @subsection The cosine function
6999
7000 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7001
7002 @example
7003 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7004 @end example
7005
7006 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7007 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7008 this function in expressions.
7009
7010 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7011 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7012
7013 @example
7014 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7015                        evalf_func(cos_evalf).
7016                        derivative_func(cos_deriv).
7017                        latex_name("\\cos"));
7018 @end example
7019
7020 There are four options defined for the cosine function. One of them
7021 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7022 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7023 function are defined.
7024
7025 @cindex @code{hold()}
7026 @cindex evaluation
7027 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7028 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7029 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7030 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7031 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7032 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7033 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7034 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7035 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7036 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7037 somewhere.
7038
7039 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7040 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7041 what is going on):
7042
7043 @example
7044 static ex cos_eval(const ex & x)
7045 @{
7046     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7047         return 1;
7048     else if ("x is a multiple of Pi")
7049         return -1;
7050     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7051         return 0;
7052     // more rules...
7053
7054     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7055         return y;
7056     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7057         return sqrt(1-y^2);
7058     // more rules...
7059
7060     else
7061         return cos(x).hold();
7062 @}
7063 @end example
7064
7065 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7066
7067 @example
7068 @{
7069     ...
7070     e = cos(Pi);
7071      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7072      // the actual expression
7073     cout << e << endl;
7074      // prints '-1'
7075     ...
7076 @}
7077 @end example
7078
7079 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7080 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7081 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7082 with @code{.hold()}.
7083
7084 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7085 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7086 different function:
7087
7088 @example
7089 static ex cos_evalf(const ex & x)
7090 @{
7091     if (is_a<numeric>(x))
7092         return cos(ex_to<numeric>(x));
7093     else
7094         return cos(x).hold();
7095 @}
7096 @end example
7097
7098 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7099 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7100 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7101 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7102 function would require it in this place.
7103
7104 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7105 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7106 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7107 @code{ex::diff}):
7108
7109 @example
7110 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7111 @{
7112     return -sin(x);
7113 @}
7114 @end example
7115
7116 @cindex product rule
7117 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7118 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7119 case the function has more than one parameter, and its main application
7120 is for correct handling of the chain rule.
7121
7122 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7123 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7124 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7125
7126 @example
7127 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7128 @{
7129         return Order(arg.diff(s));
7130 @}
7131 @end example
7132
7133 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7134 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7135 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7136 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7137 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7138 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7139 @code{derivative_func}. 
7140
7141 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7142 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7143 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7144 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7145
7146 @example
7147 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7148                      int order, unsigned options)
7149 @{
7150     // Find the actual expansion point
7151     const ex x_pt = x.subs(rel);
7152
7153     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7154         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7155
7156     // On a pole, expand sin()/cos()
7157     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7158 @}
7159 @end example
7160
7161 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7162 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7163
7164 @subsection Function options
7165
7166 GiNaC functions understand several more options which are always
7167 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7168 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7169 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7170 functions without any special options.
7171
7172 @example
7173 eval_func(<C++ function>)
7174 evalf_func(<C++ function>)
7175 derivative_func(<C++ function>)
7176 expl_derivative_func(<C++ function>)
7177 series_func(<C++ function>)
7178 conjugate_func(<C++ function>)
7179 @end example
7180
7181 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7182 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7183 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7184 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7185
7186 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7187 automatic evaluation is desired or possible.
7188
7189 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7190 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7191 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7192 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7193 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7194 suitable transformation.
7195
7196 @example
7197 latex_name(const string & n)
7198 @end example
7199
7200 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7201 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7202
7203 @example
7204 do_not_evalf_params()
7205 @end example
7206
7207 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7208 function before calling the @code{evalf_func()}.
7209
7210 @example
7211 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7212 @end example
7213
7214 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7215 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7216 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7217 @code{return_type_t} created like
7218
7219 @example
7220 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7221 @end example
7222
7223 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7224 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7225 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7226 @code{make_return_type_t<>()} 
7227
7228 @example
7229 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7230 @end example
7231
7232 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7233 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7234 details).
7235
7236 @example
7237 set_symmetry(const symmetry & s)
7238 @end example
7239
7240 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7241 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7242 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7243 symmetric functions into a canonical order.
7244
7245 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7246 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7247 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7248 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7249 with the
7250
7251 @example
7252 print_func<C>(<C++ function>)
7253 @end example
7254
7255 option which is explained in the next section.
7256
7257 @subsection Functions with a variable number of arguments
7258
7259 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7260 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7261 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7262 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7263 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7264
7265 It is also possible to define functions that accept a different number of
7266 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7267 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7268 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7269 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7270 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7271 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7272 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7273 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7274
7275
7276 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7277 @c    node-name, next, previous, up
7278 @section GiNaC's expression output system
7279
7280 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7281 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7282 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7283 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7284 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7285 functions.
7286
7287 @cindex @code{print_context} (class)
7288 @cindex @code{print_dflt} (class)
7289 @cindex @code{print_latex} (class)
7290 @cindex @code{print_tree} (class)
7291 @cindex @code{print_csrc} (class)
7292 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7293 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7294 header file:
7295
7296 @table @code
7297 @item print_dflt
7298 the default output format
7299 @item print_latex
7300 output in LaTeX mathematical mode
7301 @item print_tree
7302 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7303 @item print_csrc
7304 the base class for C source output
7305 @item print_csrc_float
7306 C source output using the @code{float} type
7307 @item print_csrc_double
7308 C source output using the @code{double} type
7309 @item print_csrc_cl_N
7310 C source output using CLN types
7311 @end table
7312
7313 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7314
7315 @example
7316 class print_context
7317 @{
7318     ...
7319 public:
7320     std::ostream & s;
7321     unsigned options;
7322 @};
7323 @end example
7324
7325 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7326 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7327 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7328 to print the index dimension which is normally hidden.
7329
7330 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7331 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7332 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7333 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7334
7335 @cindex @code{print()}
7336 @example
7337 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7338 @end example
7339
7340 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7341 top-level algebraic object contained in the expression.
7342
7343 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7344 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7345 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7346 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7347 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7348 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7349 (single) virtual function dispatch.
7350
7351 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7352 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7353 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7354 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7355 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7356 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7357 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7358 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7359 object's class name enclosed in square brackets).
7360
7361 You can think of the print methods of all the different classes and output
7362 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7363 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7364 classes.
7365
7366 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7367 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7368 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7369 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7370 methods at run-time).
7371
7372 @subsection Print methods for classes
7373
7374 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7375 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7376 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7377 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7378 can also be used to override existing methods dynamically.
7379
7380 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7381 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7382 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7383 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7384 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7385 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7386 the class is the one being implemented by
7387 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7388
7389 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7390 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7391 @code{unsigned}.
7392
7393 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7394 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7395 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7396 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7397 private and protected members of @code{T}.
7398
7399 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7400 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7401 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7402 purposes if you write your own output formats.
7403
7404 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7405 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7406 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7407 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7408
7409 @example
7410 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7411                              const print_latex & c,
7412                              unsigned level)
7413 @{
7414     // get the precedence of the 'power' class
7415     unsigned power_prec = p.precedence();
7416
7417     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7418     // we need parentheses around the power
7419     if (level >= power_prec)
7420         c.s << '(';
7421
7422     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7423     // separated by an uparrow
7424     c.s << '@{';
7425     p.op(0).print(c, power_prec);
7426     c.s << "@}\\uparrow@{";
7427     p.op(1).print(c, power_prec);
7428     c.s << '@}';
7429
7430     // don't forget the closing parenthesis
7431     if (level >= power_prec)
7432         c.s << ')';
7433 @}
7434                                                                                 
7435 int main()
7436 @{
7437     // a sample expression
7438     symbol x("x"), y("y");
7439     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7440
7441     // switch to LaTeX mode
7442     cout << latex;
7443
7444     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7445     cout << e << endl;
7446
7447     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7448     // our own one
7449     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7450
7451     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7452     //              \uparrow@{2@}@}"
7453     cout << e << endl;
7454 @}
7455 @end example
7456
7457 Some notes:
7458
7459 @itemize
7460
7461 @item
7462 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7463 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7464
7465 @item
7466 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7467 @code{power} objects for the purpose of printing.
7468
7469 @item
7470 The output of products including negative powers as fractions is also
7471 controlled by the @code{mul} class.
7472
7473 @item
7474 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7475 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7476
7477 @end itemize
7478
7479 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7480 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7481 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7482 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7483 sources, find the method that is installed at startup
7484 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7485 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7486
7487 @subsection Print methods for functions
7488
7489 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7490 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7491 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7492 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7493 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7494
7495 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7496
7497 @example
7498 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7499 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7500                                                                                 
7501 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7502 @{
7503     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7504 @}
7505                                                                                 
7506 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7507 @{
7508     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7509 @}
7510                                                                                 
7511 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7512                        evalf_func(abs_evalf).
7513                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7514                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7515                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7516 @end example
7517
7518 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7519 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7520
7521 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7522
7523 @subsection Adding new output formats
7524
7525 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7526 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7527 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7528 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7529 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7530 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7531 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7532 options value.
7533
7534 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7535
7536 @example
7537 class print_myformat : public print_dflt
7538 @{
7539     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7540 public:
7541     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7542      : print_dflt(os, opt) @{@}
7543 @};
7544
7545 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7546
7547 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7548 @end example
7549
7550 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7551 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7552 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7553 format are implemented as print methods, as described above.
7554
7555 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7556 exactly like GiNaC's default output format:
7557
7558 @example
7559 @{
7560     symbol x("x");
7561     ex e = pow(x, 2) + 1;
7562
7563     // this prints "1+x^2"
7564     cout << e << endl;
7565     
7566     // this also prints "1+x^2"
7567     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7568
7569     ...
7570 @}
7571 @end example
7572
7573 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7574 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7575
7576 @example
7577 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7578 // example above for explanations.
7579 void print_power_as_myformat(const power & p,
7580                              const print_myformat & c,
7581                              unsigned level)
7582 @{
7583     unsigned power_prec = p.precedence();
7584     if (level >= power_prec)
7585         c.s << '(';
7586     p.op(0).print(c, power_prec);
7587     c.s << "**";
7588     p.op(1).print(c, power_prec);
7589     if (level >= power_prec)
7590         c.s << ')';
7591 @}
7592
7593 @{
7594     ...
7595     // install a new print method for power objects
7596     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7597
7598     // now this prints "1+x**2"
7599     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7600
7601     // but the default format is still "1+x^2"
7602     cout << e << endl;
7603 @}
7604 @end example
7605
7606
7607 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7608 @c    node-name, next, previous, up
7609 @section Structures
7610
7611 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7612 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7613 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7614 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7615 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7616
7617 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7618 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7619 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7620 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7621 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7622 read both sections because many common concepts and member functions are
7623 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7624 is most suited to your needs.
7625
7626 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7627 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7628 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7629
7630 @subsection Example: scalar products
7631
7632 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7633 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7634 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7635 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7636 product in a C++ @code{struct}:
7637
7638 @example
7639 #include <iostream>
7640 using namespace std;
7641
7642 #include <ginac/ginac.h>
7643 using namespace GiNaC;
7644
7645 struct sprod_s @{
7646     ex left, right;
7647
7648     sprod_s() @{@}
7649     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7650 @};
7651 @end example
7652
7653 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7654 data structure, we need only one line:
7655
7656 @example
7657 typedef structure<sprod_s> sprod;
7658 @end example
7659
7660 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7661 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7662 expressions like any other GiNaC class:
7663
7664 @example
7665 ...
7666     symbol a("a"), b("b");
7667     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7668 ...
7669 @end example
7670
7671 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7672 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7673 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7674 constructed from an @code{sprod_s} object.
7675
7676 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7677 you could define a little wrapper function like this:
7678
7679 @example
7680 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7681 @{
7682     return sprod(sprod_s(left, right));
7683 @}
7684 @end example
7685
7686 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7687 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7688 @code{get_struct()}:
7689
7690 @example
7691 ...
7692     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7693      // -> a
7694     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7695      // -> b
7696 ...
7697 @end example
7698
7699 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7700
7701 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7702 that deal with scalar products, for example:
7703
7704 @example
7705 ex swap_sprod(ex p)
7706 @{
7707     if (is_a<sprod>(p)) @{
7708         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7709         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7710     @} else
7711         return p;
7712 @}
7713
7714 ...
7715     f = swap_sprod(e);
7716      // f is now <b|a>
7717 ...
7718 @end example
7719
7720 @subsection Structure output
7721
7722 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7723 desired, most notably proper output:
7724
7725 @example
7726 ...
7727     cout << e << endl;
7728      // -> [structure object]
7729 ...
7730 @end example
7731
7732 By default, any structure types you define will be printed as
7733 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7734 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7735 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7736 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7737 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7738 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7739
7740 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7741 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7742
7743 @example
7744 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7745 @{
7746     // tree debug output handled by superclass
7747     if (is_a<print_tree>(c))
7748         inherited::print(c, level);
7749
7750     // get the contained sprod_s object
7751     const sprod_s & sp = get_struct();
7752
7753     // print_context::s is a reference to an ostream
7754     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7755 @}
7756 @end example
7757
7758 Now we can print expressions containing scalar products:
7759
7760 @example
7761 ...
7762     cout << e << endl;
7763      // -> <a|b>
7764     cout << swap_sprod(e) << endl;
7765      // -> <b|a>
7766 ...
7767 @end example
7768
7769 @subsection Comparing structures
7770
7771 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7772 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7773 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7774 and undesired behavior:
7775
7776 @example
7777 ...
7778     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7779      // -> 0
7780     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7781      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7782 ...
7783 @end example
7784
7785 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7786 for objects of type @code{sprod_s}:
7787
7788 @example
7789 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7790 @{
7791     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7792 @}
7793
7794 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7795 @{
7796     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7797            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7798 @}
7799 @end example
7800
7801 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7802 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7803 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7804 in the implementation of these operators because they would construct
7805 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7806 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7807 decide which one is algebraically 'less').
7808
7809 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7810 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7811
7812 @example
7813 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7814 @end example
7815
7816 @code{sprod} objects then behave as expected:
7817
7818 @example
7819 ...
7820     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7821      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7822     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7823      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7824     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7825      // -> 0
7826     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7827      // -> 2*<a|b>
7828 ...
7829 @end example
7830
7831 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7832 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7833 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7834 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7835 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7836 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7837
7838 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7839 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7840 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7841 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7842 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7843 undefined value) that the @code{T} class might have.
7844
7845 @subsection Subexpressions
7846
7847 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7848 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7849 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7850
7851 @example
7852 size_t sprod::nops() const
7853 @{
7854     return 2;
7855 @}
7856
7857 ex sprod::op(size_t i) const
7858 @{
7859     switch (i) @{
7860     case 0:
7861         return get_struct().left;
7862     case 1:
7863         return get_struct().right;
7864     default:
7865         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7866     @}
7867 @}
7868 @end example
7869
7870 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7871 @code{sprod} has two other nice side effects:
7872
7873 @itemize @bullet
7874 @item
7875 @code{has()} works as expected
7876 @item
7877 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7878 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7879 @end itemize
7880
7881 @cindex @code{let_op()}
7882 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7883 allows replacing subexpressions:
7884
7885 @example
7886 ex & sprod::let_op(size_t i)
7887 @{
7888     // every non-const member function must call this
7889     ensure_if_modifiable();
7890
7891     switch (i) @{
7892     case 0:
7893         return get_struct().left;
7894     case 1:
7895         return get_struct().right;
7896     default:
7897         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7898     @}
7899 @}
7900 @end example
7901
7902 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7903 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7904 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7905 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7906
7907 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7908 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7909 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7910 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7911 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7912 This is left as an exercise for the reader.
7913
7914 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7915 you can override by specialization to customize the behavior of your
7916 structures. You are referred to the next section for a description of
7917 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7918 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7919 @code{structure<T>} template: archiving.
7920
7921 @subsection Archiving structures
7922
7923 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7924 should first read the next section and then come back here. You're back?
7925 Good.
7926
7927 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7928 specializations for the @code{archive()} member function and the
7929 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7930 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7931 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7932 the class of an object is stored as a string, the class name.
7933
7934 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7935 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7936 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7937 need to provide a different name for each by specializing the
7938 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7939 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7940
7941 @example
7942 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7943
7944 void sprod::archive(archive_node & n) const
7945 @{
7946     inherited::archive(n);
7947     n.add_ex("left", get_struct().left);
7948     n.add_ex("right", get_struct().right);
7949 @}
7950
7951 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7952 @{
7953     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7954     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7955 @}
7956 @end example
7957
7958 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7959 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7960 @code{sprod::unarchive()} function.
7961
7962
7963 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7964 @c    node-name, next, previous, up
7965 @section Adding classes
7966
7967 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7968 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7969 severe of which being that you can't add any new member functions to
7970 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7971 from scratch.
7972
7973 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7974 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7975 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7976 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7977 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7978 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7979 representing tensor products is more involved but this section should give
7980 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7981 classes if you want to implement something more complicated.
7982
7983 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7984
7985 @cindex hierarchy of classes
7986 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7987 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7988 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
7989 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
7990 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
7991 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
7992 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
7993 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
7994 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
7995 in @file{registrar.h}):
7996 @itemize @bullet
7997 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
7998 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7999 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8000 @end itemize
8001
8002 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8003 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8004 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8005 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8006 the opening brace of the class definition.
8007
8008 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8009 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8010 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8011 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8012 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8013
8014 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8015 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8016 options, such as custom printing functions.
8017
8018 @subsection A minimalistic example
8019
8020 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8021 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8022 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8023 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8024 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8025 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8026
8027 The code snippets given here assume that you have included some header files
8028 as follows:
8029
8030 @example
8031 #include <iostream>
8032 #include <string>   
8033 #include <stdexcept>
8034 using namespace std;
8035
8036 #include <ginac/ginac.h>
8037 using namespace GiNaC;
8038 @end example
8039
8040 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8041 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8042 object from a string:
8043
8044 @example
8045 class mystring : public basic
8046 @{
8047     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8048   
8049 public:
8050     mystring(const string & s);
8051
8052 private:
8053     string str;
8054 @};
8055
8056 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8057 @end example
8058
8059 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8060 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8061 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8062 of a class so that printing and (un)archiving works.
8063
8064 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8065 class:
8066
8067 @itemize
8068
8069 @item
8070 @code{mystring()}, the default constructor.
8071
8072 @item
8073 @cindex @code{compare_same_type()}
8074 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8075 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8076 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8077 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8078 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8079 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8080 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8081 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8082 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8083 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8084 defined.
8085
8086 @item
8087 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8088 we declared.
8089
8090 @end itemize
8091
8092 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8093
8094 @example
8095 mystring::mystring() @{ @}
8096 @end example
8097
8098 In the default constructor you should set all other member variables to
8099 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8100 member gets set to an empty string automatically).
8101
8102 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8103 the string members:
8104
8105 @example
8106 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8107 @{
8108     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8109     int cmpval = str.compare(o.str);
8110     if (cmpval == 0)
8111         return 0;
8112     else if (cmpval < 0)
8113         return -1;
8114     else
8115         return 1;
8116 @}
8117 @end example
8118
8119 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8120 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8121 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8122 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8123 all relevant member variables.
8124
8125 Now the only thing missing is our constructor:
8126
8127 @example
8128 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8129 @end example
8130
8131 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8132
8133 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8134 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8135
8136 @example
8137 ex e = mystring("Hello, world!");
8138 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8139  // -> 1 (true)
8140
8141 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8142  // -> mystring
8143 @end example
8144
8145 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8146
8147 @example
8148 cout << e << endl;
8149  // -> [mystring object]
8150 @end example
8151
8152 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8153 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8154 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8155 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8156 surrounded by double quotes:
8157
8158 @example
8159 class mystring : public basic
8160 @{
8161     ...
8162 protected:
8163     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8164     ...
8165 @};
8166
8167 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8168 @{
8169     // print_context::s is a reference to an ostream
8170     c.s << '\"' << str << '\"';
8171 @}
8172 @end example
8173
8174 The @code{level} argument is only required for container classes to
8175 correctly parenthesize the output.
8176
8177 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8178 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8179 replace the line
8180
8181 @example
8182 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8183 @end example
8184
8185 with
8186
8187 @example
8188 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8189   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8190 @end example
8191
8192 Let's try again to print the expression:
8193
8194 @example
8195 cout << e << endl;
8196  // -> "Hello, world!"
8197 @end example
8198
8199 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8200 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8201 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8202 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8203 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8204 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8205 way expression output is implemented in GiNaC.
8206
8207 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8208
8209 @example
8210 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8211 cout << e << endl;
8212  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8213 @end example
8214
8215 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8216
8217 @example
8218 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8219 cout << e << endl;
8220  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8221 @end example
8222
8223 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8224 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8225 for your objects.
8226
8227 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8228
8229 @example
8230 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8231 cout << e << endl;
8232  // -> "Wow"^2
8233
8234 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8235 cout << e.expand() << endl;
8236  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8237 @end example
8238
8239 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8240 concatenation. You would have to implement this yourself.
8241
8242 @subsection Automatic evaluation
8243
8244 @cindex evaluation
8245 @cindex @code{eval()}
8246 @cindex @code{hold()}
8247 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8248 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8249 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8250 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8251 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8252 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8253
8254 @example
8255 class mystring : public basic
8256 @{
8257     ...
8258 public:
8259     ex eval() const override;
8260     ...
8261 @};
8262
8263 ex mystring::eval() const
8264 @{
8265     string new_str;
8266     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8267         char c = str[i];
8268         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8269             new_str += tolower(c);
8270         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8271             new_str += c;
8272     @}
8273
8274     if (new_str.length() == 0)
8275         return 0;
8276
8277     return mystring(new_str).hold();
8278 @}
8279 @end example
8280
8281 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8282 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8283 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8284
8285 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8286 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8287 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8288 with this.
8289
8290 Let's confirm that it works:
8291
8292 @example
8293 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8294 cout << e << endl;
8295  // -> "helloworld"
8296
8297 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8298 cout << e << endl;
8299  // -> 3*"wow"
8300 @end example
8301
8302 @subsection Optional member functions
8303
8304 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8305 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8306 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8307
8308 @cindex @code{calchash()}
8309 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8310 @example
8311 unsigned calchash() const override;
8312 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8313 @end example
8314
8315 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8316 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8317 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8318 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8319 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8320 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8321
8322 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8323 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8324 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8325 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8326
8327 @subsection Other member functions
8328
8329 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8330 might want to provide:
8331
8332 @example
8333 bool info(unsigned inf) const override;
8334 ex evalf() const override;
8335 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8336 ex derivative(const symbol & s) const override;
8337 @end example
8338
8339 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8340 previous section) you will probably want to override
8341
8342 @cindex @code{let_op()}
8343 @example
8344 size_t nops() const override;
8345 ex op(size_t i) const override;
8346 ex & let_op(size_t i) override;
8347 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8348 ex map(map_function & f) const override;
8349 @end example
8350
8351 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8352 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8353 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8354
8355 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8356 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8357 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8358 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8359 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8360 should become a need.
8361
8362 That's it. May the source be with you!
8363
8364 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8365
8366 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8367 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8368 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8369
8370 @example
8371 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8372 @end example
8373
8374 needs to be rewritten as
8375
8376 @example
8377 myclass::myclass() @{@}
8378 @end example
8379
8380 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8381 @c    node-name, next, previous, up
8382 @chapter A Comparison With Other CAS
8383 @cindex advocacy
8384
8385 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8386 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8387 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8388 disadvantages over these systems.
8389
8390 @menu
8391 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8392 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8393 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8394 @end menu
8395
8396 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8397 @c    node-name, next, previous, up
8398 @section Advantages
8399
8400 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8401 Algebra Systems, like 
8402
8403 @itemize @bullet
8404
8405 @item
8406 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8407 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8408 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8409 in common C++, which is standardized.
8410
8411 @cindex STL
8412 @item
8413 structured data types: you can build up structured data types using
8414 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8415 using unnamed lists of lists of lists.
8416
8417 @item
8418 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8419 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8420 nice for novice programmers, but dangerous.
8421     
8422 @item
8423 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8424 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8425 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8426
8427 @item
8428 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8429 separating interface and implementation.
8430
8431 @item
8432 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8433 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8434 C++-compilers for free, too.
8435     
8436 @item
8437 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8438 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8439 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8440 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8441 fix bugs in a traditional system.
8442
8443 @item
8444 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8445 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8446 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8447 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8448 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8449 all, of GiNaC's types to a command line.
8450
8451 @item
8452 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8453 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8454 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8455 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8456 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8457 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8458 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8459 system (i.e. @emph{Yacas}).
8460
8461 @item
8462 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8463 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8464 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8465 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8466 speed with other CAS.
8467
8468 @end itemize
8469
8470
8471 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8472 @c    node-name, next, previous, up
8473 @section Disadvantages
8474
8475 Of course it also has some disadvantages:
8476
8477 @itemize @bullet
8478
8479 @item
8480 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8481 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8482 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8483 respect to mathematical features.  Integration, 
8484 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8485 not planned for the near future).
8486
8487 @item
8488 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8489 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8490 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8491 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8492 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8493 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8494 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8495 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8496 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8497 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8498 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8499 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8500 literally.
8501     
8502 @end itemize
8503
8504
8505 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8506 @c    node-name, next, previous, up
8507 @section Why C++?
8508
8509 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8510 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8511 possible), separation between interface and implementation is not
8512 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8513 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8514 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8515 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8516 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8517 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8518 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8519 any other programming language.
8520
8521
8522 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8523 @c    node-name, next, previous, up
8524 @appendix Internal structures
8525
8526 @menu
8527 * Expressions are reference counted::
8528 * Internal representation of products and sums::
8529 @end menu
8530
8531 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8532 @c    node-name, next, previous, up
8533 @appendixsection Expressions are reference counted
8534
8535 @cindex reference counting
8536 @cindex copy-on-write
8537 @cindex garbage collection
8538 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8539 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8540 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8541 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8542 skip the rest of this passage.
8543
8544 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8545 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8546 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8547 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8548 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8549 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8550 of code:
8551
8552 @example
8553 #include <iostream>
8554 #include <ginac/ginac.h>
8555 using namespace std;
8556 using namespace GiNaC;
8557
8558 int main()
8559 @{
8560     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8561     ex e1, e2;
8562
8563     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8564     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8565     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8566     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8567     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8568 @}
8569 @end example
8570
8571 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8572 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8573 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8574 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8575 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8576 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8577 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8578 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8579 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8580 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8581 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8582 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8583 can be:
8584
8585 @example
8586 @{
8587     symbol x("x"), y("y");
8588
8589     ex e1 = x + 3*y;
8590     ex e2 = pow(e1, 3);
8591     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8592     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8593          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8594          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8595 @}
8596 @end example
8597
8598 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8599 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8600 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8601 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8602 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8603 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8604 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8605 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8606 @code{3*e1^2}.
8607
8608 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8609 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8610 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8611 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8612 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8613 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8614 semantics, we recommend you have a look at the
8615 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8616 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8617 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8618
8619
8620 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8621 @c    node-name, next, previous, up
8622 @appendixsection Internal representation of products and sums
8623
8624 @cindex representation
8625 @cindex @code{add}
8626 @cindex @code{mul}
8627 @cindex @code{power}
8628 Although it should be completely transparent for the user of
8629 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8630 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8631 unexpanded symbolic expression 
8632 @tex
8633 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8634 @end tex
8635 @ifnottex
8636 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8637 @end ifnottex
8638 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8639 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8640 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8641 fashion:
8642
8643 @ifnotinfo
8644 @image{repnaive}
8645 @end ifnotinfo
8646 @ifinfo
8647 <PICTURE MISSING>
8648 @end ifinfo
8649
8650 @cindex pair-wise representation
8651 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8652 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8653 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8654 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8655 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8656 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8657 becomes much more flat:
8658
8659 @ifnotinfo
8660 @image{reppair}
8661 @end ifnotinfo
8662 @ifinfo
8663 <PICTURE MISSING>
8664 @end ifinfo
8665
8666 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8667 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8668 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8669 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8670 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8671 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8672 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8673 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8674 representation, however, since they are still carrying a trivial
8675 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8676 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8677 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8678 representation for
8679 @tex
8680 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8681 @end tex
8682 @ifnottex
8683 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8684 @end ifnottex
8685
8686 @ifnotinfo
8687 @image{repreal}
8688 @end ifnotinfo
8689 @ifinfo
8690 <PICTURE MISSING>
8691 @end ifinfo
8692
8693 @cindex radical
8694 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8695 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8696 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8697 same abstract class: the data representation is the same, only the
8698 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8699 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8700 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8701
8702
8703 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8704 @c    node-name, next, previous, up
8705 @appendix Package tools
8706
8707 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8708 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8709 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8710 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8711 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8712 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8713 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8714 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8715 @example
8716 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8717 @end example
8718
8719 This command line might expand to (for example):
8720 @example
8721 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8722 @end example
8723
8724 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8725 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8726
8727 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8728 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8729 checking for libraries
8730
8731 @example
8732 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8733                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8734                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8735 @end example
8736
8737 This macro:
8738
8739 @itemize @bullet
8740
8741 @item
8742 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8743 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8744 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8745
8746 @item
8747 Tests the installed libraries to make sure that their version
8748 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8749
8750 @item
8751 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8752 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8753 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8754 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8755 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8756
8757 @item
8758 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8759
8760 @end itemize
8761
8762 @menu
8763 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8764 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8765 @end menu
8766
8767
8768 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8769 @c    node-name, next, previous, up
8770 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8771
8772 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8773 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8774 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8775 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8776 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8777
8778 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8779 system.
8780
8781 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8782 the linkers where to find the library one should
8783
8784 @itemize @bullet
8785 @item
8786 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8787 @example
8788 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8789 # ldconfig
8790 @end example
8791
8792 @item
8793 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8794 @example
8795 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8796 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8797 @end example
8798
8799 @item
8800 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8801 for instance:
8802
8803 @example
8804 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8805 @end example
8806 @end itemize
8807
8808 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8809 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8810 @example
8811 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8812 @end example
8813
8814 Finally, run the @command{configure} script
8815 @example
8816 $ ./configure 
8817 @end example
8818
8819 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8820
8821 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8822 @c    node-name, next, previous, up
8823 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8824
8825 The following shows how to build a simple package using automake
8826 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8827
8828 @example
8829 #include <iostream>
8830 #include <ginac/ginac.h>
8831
8832 int main()
8833 @{
8834     GiNaC::symbol x("x");
8835     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8836     std::cout << "Derivative of " << a 
8837               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8838     return 0;
8839 @}
8840 @end example
8841
8842 You should first read the introductory portions of the automake
8843 Manual, if you are not already familiar with it.
8844
8845 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8846 configure script:
8847
8848 @example
8849 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8850 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8851 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8852 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8853
8854 AC_PROG_CXX
8855 AC_PROG_INSTALL
8856 AC_LANG([C++])
8857
8858 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8859
8860 AC_OUTPUT(Makefile)
8861 @end example
8862
8863 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8864 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8865 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8866 @example
8867 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8868
8869 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8870
8871 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8872 installed software in a non-standard prefix.
8873
8874 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8875 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8876 See the pkg-config man page for more details.
8877 @end example
8878
8879 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8880
8881 @example
8882 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8883 bin_PROGRAMS = simple
8884 simple_SOURCES = simple.cpp
8885 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8886 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8887 @end example
8888
8889 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8890 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8891 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8892 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8893 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8894 basis.
8895
8896 To try this example out, create a new directory and add the three
8897 files above to it.
8898
8899 Now execute the following command:
8900
8901 @example
8902 $ autoreconf -i
8903 @end example
8904
8905 You now have a package that can be built in the normal fashion
8906
8907 @example
8908 $ ./configure
8909 $ make
8910 $ make install
8911 @end example
8912
8913
8914 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8915 @c    node-name, next, previous, up
8916 @appendix Bibliography
8917
8918 @itemize @minus{}
8919
8920 @item
8921 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
8922
8923 @item
8924 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8925
8926 @item
8927 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8928
8929 @item
8930 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8931
8932 @item
8933 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8934 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8935
8936 @item
8937 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8938 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8939 Academic Press, London
8940
8941 @item
8942 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8943 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8944
8945 @item
8946 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8947 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8948
8949 @item
8950 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8951 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8952
8953 @item
8954 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8955
8956 @end itemize
8957
8958
8959 @node Concept index, , Bibliography, Top
8960 @c    node-name, next, previous, up
8961 @unnumbered Concept index
8962
8963 @printindex cp
8964
8965 @bye