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