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