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