]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
canonicalize_clifford() was omitting some ONEs
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2004 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{} 1999-2004 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., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, 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 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 @end menu
689
690
691 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
692 @c    node-name, next, previous, up
693 @section Expressions
694 @cindex expression (class @code{ex})
695 @cindex @code{has()}
696
697 The most common class of objects a user deals with is the expression
698 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
699 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
700 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
701 little collection of valid expressions:
702
703 @example
704 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
705 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
706 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
707 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
708 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
709 @end example
710
711 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
712 contain other expressions thus creating a tree of expressions
713 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
714 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
715 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
716 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
717 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
718 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
719
720 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
721 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
722 @code{ex}.
723
724 @subsection Note: Expressions and STL containers
725
726 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
727 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
728 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
729 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
730
731 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
732 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
733 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
734 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
735 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
736
737 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
738 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
739
740 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
741 expressions.
742
743
744 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
745 @c    node-name, next, previous, up
746 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
747 @cindex evaluation
748
749 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
750 them and put them into a canonical form. Some examples:
751
752 @example
753 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
754 ex MyEx2 = x - x;        // 0
755 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
756 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
757 @end example
758
759 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
760 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
761
762 @itemize @bullet
763 @item
764 at most of complexity
765 @tex
766 $O(n\log n)$
767 @end tex
768 @ifnottex
769 @math{O(n log n)}
770 @end ifnottex
771 @item
772 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
773 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
774 @end itemize
775
776 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
777 behave in an entirely obvious way at first glance:
778
779 @itemize
780 @item
781 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
782 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
783 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
784 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
785 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
786 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
787 canonical form.
788 @item
789 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
790 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
791 example
792 @example
793 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
794 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
795 @end example
796 @end itemize
797
798 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
799 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
800 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
801 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
802 some immediate simplifications.
803
804 @cindex @code{eval()}
805 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
806
807 @example
808 ex ex::eval(int level = 0) const;
809 ex basic::eval(int level = 0) const;
810 @end example
811
812 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
813 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
814 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
815 re-evaluate their results.
816
817
818 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
819 @c    node-name, next, previous, up
820 @section Error handling
821 @cindex exceptions
822 @cindex @code{pole_error} (class)
823
824 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
825 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
826 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
827 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
828 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
829 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
830 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
831 at a singularity.
832
833 The @code{pole_error} class has a member function
834
835 @example
836 int pole_error::degree() const;
837 @end example
838
839 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
840 logarithmic or the order is undefined).
841
842 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
843 the main program even if you don't want to do any special error handling.
844 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
845 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
846 usually only aborts the program without giving any information what went
847 wrong.
848
849 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
850 exceptions generated by GiNaC:
851
852 @example
853 #include <iostream>
854 #include <stdexcept>
855 #include <ginac/ginac.h>
856 using namespace std;
857 using namespace GiNaC;
858
859 int main()
860 @{
861     try @{
862         ...
863         // code using GiNaC
864         ...
865     @} catch (exception &p) @{
866         cerr << p.what() << endl;
867         return 1;
868     @}
869     return 0;
870 @}
871 @end example
872
873
874 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
875 @c    node-name, next, previous, up
876 @section The Class Hierarchy
877
878 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
879 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
880 helpers) are internally derived from one abstract base class called
881 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
882 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
883 containers of expressions and so on.
884
885 @cindex container
886 @cindex atom
887 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
888 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
889 some of the relations among the classes:
890
891 @image{classhierarchy}
892
893 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
894 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
895 duplication if two or more classes derived from them share certain
896 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
897 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
898 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
899 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
900 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
901 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
902 are stored in the different classes:
903
904 @cartouche
905 @multitable @columnfractions .22 .78
906 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
907 @item @code{constant} @tab Constants like 
908 @tex
909 $\pi$
910 @end tex
911 @ifnottex
912 @math{Pi}
913 @end ifnottex
914 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
915 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
916 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
917 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
918 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
919 @tex
920 $\sqrt{2}$
921 @end tex
922 @ifnottex
923 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
924 @end ifnottex
925 @dots{}
926 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
927 @item @code{function} @tab A symbolic function like
928 @tex
929 $\sin 2x$
930 @end tex
931 @ifnottex
932 @math{sin(2*x)}
933 @end ifnottex
934 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
935 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
936 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
937 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
938 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
939 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
940 @item @code{varidx} @tab Index with variance
941 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
942 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
943 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
944 @end multitable
945 @end cartouche
946
947
948 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
949 @c    node-name, next, previous, up
950 @section Symbols
951 @cindex @code{symbol} (class)
952 @cindex hierarchy of classes
953
954 @cindex atom
955 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
956 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
957 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
958 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
959 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
960 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
961 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
962 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
963 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
964 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
965 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
966 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
967 come across examples of such symbols later in this tutorial.
968
969 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
970 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
971 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
972 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
973 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
974 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
975 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
976 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
977 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
978 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
979
980 @cindex @code{realsymbol()}
981 Symbols are expected to stand in for complex values by default, i.e. they live
982 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
983 for example (see @ref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
984 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
985 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
986 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
987 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
988 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
989 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
990
991 @cindex @code{subs()}
992 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
993 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
994 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
995 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
996
997
998 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
999 @c    node-name, next, previous, up
1000 @section Numbers
1001 @cindex @code{numeric} (class)
1002
1003 @cindex GMP
1004 @cindex CLN
1005 @cindex rational
1006 @cindex fraction
1007 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1008 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1009 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1010 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1011 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1012 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1013 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1014 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1015 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1016 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1017 several useful things: First, it introduces the complex number field
1018 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1019 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1020 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1021 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1022 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1023 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1024 calculation of some useful constants.
1025
1026 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1027 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1028 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1029 integers, construction from C-float and construction from a string:
1030
1031 @example
1032 #include <iostream>
1033 #include <ginac/ginac.h>
1034 using namespace GiNaC;
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1039     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1040     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1041     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1042     // Trott's constant in scientific notation:
1043     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1044     
1045     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1046     ...
1047 @end example
1048
1049 @cindex @code{I}
1050 @cindex complex numbers
1051 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1052 name @code{I}:
1053
1054 @example
1055     ...
1056     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1057     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1058 @}
1059 @end example
1060
1061 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1062 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1063 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1064 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1065 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1066 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1067 also.
1068
1069 @cindex @code{Digits}
1070 @cindex accuracy
1071 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1072 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1073 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1074 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1075 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1076 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1077 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1078 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1079 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1080 digits:
1081
1082 @example
1083 #include <iostream>
1084 #include <ginac/ginac.h>
1085 using namespace std;
1086 using namespace GiNaC;
1087
1088 void foo()
1089 @{
1090     numeric three(3.0), one(1.0);
1091     numeric x = one/three;
1092
1093     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1094     cout << x << endl;
1095     cout << Pi.evalf() << endl;
1096 @}
1097
1098 int main()
1099 @{
1100     foo();
1101     Digits = 60;
1102     foo();
1103     return 0;
1104 @}
1105 @end example
1106
1107 The above example prints the following output to screen:
1108
1109 @example
1110 in 17 digits:
1111 0.33333333333333333334
1112 3.1415926535897932385
1113 in 60 digits:
1114 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1115 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1116 @end example
1117
1118 @cindex rounding
1119 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1120 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1121 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1122 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1123 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1124 architectures with different word size, the above output might even
1125 differ with regard to actually computed digits.
1126
1127 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1128 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1129 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1130
1131 @subsection Tests on numbers
1132
1133 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1134 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1135 kind of information from them like asking whether that number is
1136 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1137 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1138 certain CLN functions.)
1139
1140 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1141 some multiple of its denominator and test what comes out:
1142
1143 @example
1144 #include <iostream>
1145 #include <ginac/ginac.h>
1146 using namespace std;
1147 using namespace GiNaC;
1148
1149 // some very important constants:
1150 const numeric twentyone(21);
1151 const numeric ten(10);
1152 const numeric five(5);
1153
1154 int main()
1155 @{
1156     numeric answer = twentyone;
1157
1158     answer /= five;
1159     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1160     answer *= ten;
1161     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1162 @}
1163 @end example
1164
1165 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1166 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1167 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1168 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1169 the result is automatically converted to a pure integer again.
1170 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1171 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1172 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1173 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1174 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1175 can be applied is listed in the following table.
1176
1177 @cartouche
1178 @multitable @columnfractions .30 .70
1179 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1180 @item @code{.is_zero()}
1181 @tab @dots{}equal to zero
1182 @item @code{.is_positive()}
1183 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1184 @item @code{.is_integer()}
1185 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1186 @item @code{.is_pos_integer()}
1187 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1188 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1189 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1190 @item @code{.is_even()}
1191 @tab @dots{}an even integer
1192 @item @code{.is_odd()}
1193 @tab @dots{}an odd integer
1194 @item @code{.is_prime()}
1195 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1196 @item @code{.is_rational()}
1197 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1198 @item @code{.is_real()}
1199 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1200 @item @code{.is_cinteger()}
1201 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1202 @item @code{.is_crational()}
1203 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1204 @end multitable
1205 @end cartouche
1206
1207 @subsection Converting numbers
1208
1209 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1210 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1211 class provides a couple of methods for this purpose:
1212
1213 @cindex @code{to_int()}
1214 @cindex @code{to_long()}
1215 @cindex @code{to_double()}
1216 @cindex @code{to_cl_N()}
1217 @example
1218 int numeric::to_int() const;
1219 long numeric::to_long() const;
1220 double numeric::to_double() const;
1221 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1222 @end example
1223
1224 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1225 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1226 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1227 rational number will return a floating-point approximation. Both
1228 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1229 part of complex numbers.
1230
1231
1232 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1233 @c    node-name, next, previous, up
1234 @section Constants
1235 @cindex @code{constant} (class)
1236
1237 @cindex @code{Pi}
1238 @cindex @code{Catalan}
1239 @cindex @code{Euler}
1240 @cindex @code{evalf()}
1241 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1242 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1243
1244 The predefined known constants are:
1245
1246 @cartouche
1247 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1248 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1249 @item @code{Pi}
1250 @tab Archimedes' constant
1251 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1252 @item @code{Catalan}
1253 @tab Catalan's constant
1254 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1255 @item @code{Euler}
1256 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1257 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1258 @end multitable
1259 @end cartouche
1260
1261
1262 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1263 @c    node-name, next, previous, up
1264 @section Sums, products and powers
1265 @cindex polynomial
1266 @cindex @code{add}
1267 @cindex @code{mul}
1268 @cindex @code{power}
1269
1270 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1271 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1272 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1273 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1274 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1275 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1276 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1277 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1278
1279 @example
1280     ...
1281     symbol a("a"), b("b");
1282     ex MyTerm = 1+a*b;
1283     ...
1284 @end example
1285
1286 @cindex @code{pow()}
1287 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1288 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1289 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1290 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1291 have several counterintuitive and undesired effects:
1292
1293 @itemize @bullet
1294 @item
1295 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1296 @item
1297 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1298 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1299 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1300 @item
1301 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1302 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1303 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1304 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1305 has requested @code{2^3}.)
1306 @end itemize
1307
1308 @cindex @command{ginsh}
1309 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1310 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1311 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1312 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1313 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1314 not exist at all in C++).
1315
1316 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1317 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1318 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1319 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1320 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1321 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1322 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1323 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1324 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1325 @code{x} negative.
1326
1327 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1328 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1329 and safe simplifications are carried out like transforming
1330 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1331
1332
1333 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1334 @c    node-name, next, previous, up
1335 @section Lists of expressions
1336 @cindex @code{lst} (class)
1337 @cindex lists
1338 @cindex @code{nops()}
1339 @cindex @code{op()}
1340 @cindex @code{append()}
1341 @cindex @code{prepend()}
1342 @cindex @code{remove_first()}
1343 @cindex @code{remove_last()}
1344 @cindex @code{remove_all()}
1345
1346 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1347 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1348 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1349 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1350 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1351
1352 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1353 expressions:
1354
1355 @example
1356 @{
1357     symbol x("x"), y("y");
1358     lst l;
1359     l = x, 2, y, x+y;
1360     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1361     // in that order
1362     ...
1363 @end example
1364
1365 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1366 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1367
1368 @example
1369     ...
1370     // This produces the same list 'l' as above:
1371     // lst l(x, 2, y, x+y);
1372     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1373     ...
1374 @end example
1375
1376 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1377 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1378 individual elements:
1379
1380 @example
1381     ...
1382     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1383     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1384     ...
1385 @end example
1386
1387 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1388 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1389 sequential access to the elements of a list is possible with the
1390 iterator types provided by the @code{lst} class:
1391
1392 @example
1393 typedef ... lst::const_iterator;
1394 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1395 lst::const_iterator lst::begin() const;
1396 lst::const_iterator lst::end() const;
1397 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1398 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1399 @end example
1400
1401 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1402
1403 @example
1404     ...
1405     // O(N)
1406     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1407         cout << *i << endl;
1408     ...
1409 @end example
1410
1411 which is one order faster than
1412
1413 @example
1414     ...
1415     // O(N^2)
1416     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1417         cout << l.op(i) << endl;
1418     ...
1419 @end example
1420
1421 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1422 the C++ standard library:
1423
1424 @example
1425     ...
1426     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1427     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1428
1429     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1430     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1431     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1432     ...
1433 @end example
1434
1435 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1436 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1437
1438 @example
1439     ...
1440     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1441     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1442     ...
1443 @end example
1444
1445 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1446 and @code{prepend()} methods:
1447
1448 @example
1449     ...
1450     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1451     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1452     ...
1453 @end example
1454
1455 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1456 and @code{remove_last()}:
1457
1458 @example
1459     ...
1460     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1461     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1462     ...
1463 @end example
1464
1465 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1466
1467 @example
1468     ...
1469     l.remove_all();     // l is now empty
1470     ...
1471 @end example
1472
1473 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1474
1475 @example
1476     ...
1477     lst l1, l2;
1478     l1 = x, 2, y, x+y;
1479     l2 = 2, x+y, x, y;
1480     l1.sort();
1481     l2.sort();
1482     // l1 and l2 are now equal
1483     ...
1484 @end example
1485
1486 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1487 elements with @code{unique()}:
1488
1489 @example
1490     ...
1491     lst l3;
1492     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1493     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1494 @}
1495 @end example
1496
1497
1498 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1499 @c    node-name, next, previous, up
1500 @section Mathematical functions
1501 @cindex @code{function} (class)
1502 @cindex trigonometric function
1503 @cindex hyperbolic function
1504
1505 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1506 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1507 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1508
1509 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1510 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1511 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1512 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1513 the next example, showing how a function returns itself twice and
1514 finally an expression that may be really useful:
1515
1516 @cindex Gamma function
1517 @cindex @code{subs()}
1518 @example
1519     ...
1520     symbol x("x"), y("y");    
1521     ex foo = x+y/2;
1522     cout << tgamma(foo) << endl;
1523      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1524     ex bar = foo.subs(y==1);
1525     cout << tgamma(bar) << endl;
1526      // -> tgamma(x+1/2)
1527     ex foobar = bar.subs(x==7);
1528     cout << tgamma(foobar) << endl;
1529      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1530     ...
1531 @end example
1532
1533 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1534 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1535 this.
1536
1537 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1538 functions, where the argument list is templated.  This means that
1539 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1540 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1541 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1542 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1543 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1544 point number of class @code{numeric} you should call
1545 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1546 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1547 wrapped inside an @code{ex}.
1548
1549
1550 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1551 @c    node-name, next, previous, up
1552 @section Relations
1553 @cindex @code{relational} (class)
1554
1555 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1556 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1557 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1558 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1559 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1560 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1561
1562 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1563 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1564 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1565 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1566 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1567 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1568 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1569 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1570 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1571 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1572 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1573 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1574 @code{expand()} must be called explicitly.
1575
1576
1577 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1578 @c    node-name, next, previous, up
1579 @section Matrices
1580 @cindex @code{matrix} (class)
1581
1582 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1583 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1584 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1585 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1586
1587 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1588 elements. The constructor
1589
1590 @example
1591 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1592 @end example
1593
1594 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1595 set to zero.
1596
1597 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1598 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1599 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1600
1601 @example
1602 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1603 @end example
1604
1605 The function
1606
1607 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1608 @example
1609 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1610 @end example
1611
1612 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1613
1614 There is also a set of functions for creating some special types of
1615 matrices:
1616
1617 @cindex @code{diag_matrix()}
1618 @cindex @code{unit_matrix()}
1619 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1620 @example
1621 ex diag_matrix(const lst & l);
1622 ex unit_matrix(unsigned x);
1623 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1624 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1625 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1626 @end example
1627
1628 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1629 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1630 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1631 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1632 and the position of each element in the matrix.
1633
1634 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1635 operator:
1636
1637 @example
1638 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1639 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1640 @end example
1641
1642 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1643 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1644 @samp{[]} is not available.
1645
1646 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1647
1648 @example
1649 @{
1650     symbol a("a"), b("b");
1651
1652     matrix M(2, 2);
1653     M = a, 0,
1654         0, b;
1655     cout << M << endl;
1656      // -> [[a,0],[0,b]]
1657
1658     matrix M2(2, 2);
1659     M2(0, 0) = a;
1660     M2(1, 1) = b;
1661     cout << M2 << endl;
1662      // -> [[a,0],[0,b]]
1663
1664     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1665      // -> [[a,0],[0,b]]
1666
1667     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1668      // -> [[a,0],[0,b]]
1669
1670     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1671      // -> [[a,0],[0,b]]
1672
1673     cout << unit_matrix(3) << endl;
1674      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1675
1676     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1677      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1678 @}
1679 @end example
1680
1681 @cindex @code{transpose()}
1682 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1683 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1684
1685 @example
1686 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1687 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1688 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1689 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1690 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1691 matrix matrix::transpose() const;
1692 @end example
1693
1694 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1695 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1696 and @math{C}:
1697
1698 @example
1699 @{
1700     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
1701     A =  1, 2,
1702          3, 4;
1703     B = -1, 0,
1704          2, 1;
1705     C =  8, 4,
1706          2, 1;
1707
1708     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1709     cout << result << endl;
1710      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1711     ...
1712 @}
1713 @end example
1714
1715 @cindex @code{evalm()}
1716 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1717 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1718 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1719 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1720 method
1721
1722 @example
1723 ex ex::evalm() const;
1724 @end example
1725
1726 to obtain the result:
1727
1728 @example
1729 @{
1730     ...
1731     ex e = A*B - 2*C;
1732     cout << e << endl;
1733      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1734     cout << e.evalm() << endl;
1735      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1736     ...
1737 @}
1738 @end example
1739
1740 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1741 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1742 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1743 dealing with non-commutative expressions.
1744
1745 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1746 to perform the arithmetic:
1747
1748 @example
1749 @{
1750     ...
1751     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1752     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1753     cout << e << endl;
1754      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1755     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1756      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1757 @}
1758 @end example
1759
1760 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1761 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1762 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1763 more information about using matrices with indices, and about indices in
1764 general.
1765
1766 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1767 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1768
1769 @cindex @code{determinant()}
1770 @cindex @code{trace()}
1771 @cindex @code{charpoly()}
1772 @example
1773 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
1774 ex matrix::trace() const;
1775 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
1776 @end example
1777
1778 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
1779 between different algorithms for calculating the determinant.  The
1780 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
1781 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
1782 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
1783 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
1784 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
1785 quickly.
1786
1787 @cindex @code{inverse()}
1788 @cindex @code{solve()}
1789 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
1790 method and linear systems may be solved with:
1791
1792 @example
1793 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
1794 @end example
1795
1796 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
1797 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
1798 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
1799 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
1800 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
1801 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
1802 overdetermined, an exception is thrown.
1803
1804
1805 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1806 @c    node-name, next, previous, up
1807 @section Indexed objects
1808
1809 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1810 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1811 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1812 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1813
1814 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1815 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1816 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1817 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1818
1819 @cindex @code{idx} (class)
1820 @cindex @code{indexed} (class)
1821 @subsection Indexed quantities and their indices
1822
1823 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1824 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1825
1826 @itemize @bullet
1827
1828 @cindex contravariant
1829 @cindex covariant
1830 @cindex variance
1831 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1832 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1833 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1834 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1835 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1836 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1837
1838 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1839 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1840 one or more indices.
1841
1842 @end itemize
1843
1844 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1845 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1846 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1847 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1848 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1849 not visible in the output.
1850
1851 A simple example shall illustrate the concepts:
1852
1853 @example
1854 #include <iostream>
1855 #include <ginac/ginac.h>
1856 using namespace std;
1857 using namespace GiNaC;
1858
1859 int main()
1860 @{
1861     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1862     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1863
1864     symbol A("A");
1865     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1866      // -> A.i.j
1867     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
1868      // -> A.i[3].j[3]
1869     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
1870     ...
1871 @end example
1872
1873 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1874 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1875 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1876 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1877 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1878 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1879 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1880 @code{j}.
1881
1882 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
1883 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
1884 as shown above.
1885
1886 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1887 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1888 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1889 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1890 correct and will raise an exception:
1891
1892 @example
1893 symbol i("i"), j("j");
1894 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1895 @end example
1896
1897 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1898 be numeric, and index dimensions symbolic:
1899
1900 @example
1901     ...
1902     symbol B("B"), dim("dim");
1903     cout << 4 * indexed(A, i)
1904           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1905      // -> B.j.2.i+4*A.i
1906     ...
1907 @end example
1908
1909 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1910 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1911 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1912 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1913 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1914
1915 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1916 arbitrary expressions:
1917
1918 @example
1919     ...
1920     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1921      // -> (B+A).(1+2*i)
1922     ...
1923 @end example
1924
1925 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1926 get an error message from this but you will probably not be able to do
1927 anything useful with it.
1928
1929 @cindex @code{get_value()}
1930 @cindex @code{get_dimension()}
1931 The methods
1932
1933 @example
1934 ex idx::get_value();
1935 ex idx::get_dimension();
1936 @end example
1937
1938 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1939 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1940 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1941 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1942
1943 There are also the methods
1944
1945 @example
1946 bool idx::is_numeric();
1947 bool idx::is_symbolic();
1948 bool idx::is_dim_numeric();
1949 bool idx::is_dim_symbolic();
1950 @end example
1951
1952 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1953 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1954 About Expressions}) returns information about the index value.
1955
1956 @cindex @code{varidx} (class)
1957 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1958
1959 @example
1960     ...
1961     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1962     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1963     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1964
1965     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1966      // -> A~mu~nu
1967     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1968      // -> A.mu~nu
1969     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1970      // -> A.mu~nu
1971     ...
1972 @end example
1973
1974 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1975 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1976 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1977 constructor. The two methods
1978
1979 @example
1980 bool varidx::is_covariant();
1981 bool varidx::is_contravariant();
1982 @end example
1983
1984 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1985 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1986 method
1987
1988 @example
1989 ex varidx::toggle_variance();
1990 @end example
1991
1992 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1993 variance. By using it you only have to define the index once.
1994
1995 @cindex @code{spinidx} (class)
1996 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1997 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1998
1999 @example
2000     ...
2001     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2002     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2003                                             // contravariant, undotted
2004     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2005     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2006     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2007
2008     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2009      // -> K~C~D
2010     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2011      // -> K.C~*D
2012     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2013      // -> K.*D~D
2014     ...
2015 @end example
2016
2017 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2018 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2019 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2020 methods
2021
2022 @example
2023 bool spinidx::is_dotted();
2024 bool spinidx::is_undotted();
2025 @end example
2026
2027 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2028 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2029 Finally, the two methods
2030
2031 @example
2032 ex spinidx::toggle_dot();
2033 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2034 @end example
2035
2036 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2037 and the same or opposite variance.
2038
2039 @subsection Substituting indices
2040
2041 @cindex @code{subs()}
2042 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2043 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2044 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2045 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2046
2047 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2048 by another index or expression:
2049
2050 @example
2051     ...
2052     ex e = indexed(A, mu_co);
2053     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2054      // -> A.mu becomes A~nu
2055     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2056      // -> A.mu becomes A~0
2057     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2058      // -> A.mu becomes A.0
2059     ...
2060 @end example
2061
2062 The third example shows that trying to replace an index with something that
2063 is not an index will substitute the index value instead.
2064
2065 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2066 another expression:
2067
2068 @example
2069     ...
2070     ex e = indexed(A, mu_co);
2071     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2072      // -> A.mu becomes A.nu
2073     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2074      // -> A.mu becomes A.0
2075     ...
2076 @end example
2077
2078 As you see, with the second method only the value of the index will get
2079 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2080 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2081 whole index by another one with the new dimension.
2082
2083 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2084 expected:
2085
2086 @example
2087     ...
2088     ex e = indexed(A, mu_co);
2089     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2090      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2091     ...
2092 @end example
2093
2094 @subsection Symmetries
2095 @cindex @code{symmetry} (class)
2096 @cindex @code{sy_none()}
2097 @cindex @code{sy_symm()}
2098 @cindex @code{sy_anti()}
2099 @cindex @code{sy_cycl()}
2100
2101 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2102 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2103 that is constructed with the helper functions
2104
2105 @example
2106 symmetry sy_none(...);
2107 symmetry sy_symm(...);
2108 symmetry sy_anti(...);
2109 symmetry sy_cycl(...);
2110 @end example
2111
2112 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2113 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2114 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2115 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2116 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2117 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2118 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2119 all indices.
2120
2121 Here are some examples of symmetry definitions:
2122
2123 @example
2124     ...
2125     // No symmetry:
2126     e = indexed(A, i, j);
2127     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2128     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2129
2130     // Symmetric in all three indices:
2131     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2132     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2133     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2134                                                // different canonical order
2135
2136     // Symmetric in the first two indices only:
2137     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2138     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2139
2140     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2141     // be contiguous):
2142     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2143     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2144
2145     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2146     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2147     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2148     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2149
2150     // Cyclic symmetry in all three indices:
2151     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2152     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2153
2154     // The following examples are invalid constructions that will throw
2155     // an exception at run time.
2156
2157     // An index may not appear multiple times:
2158     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2159     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2160
2161     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2162     // same number of indices:
2163     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2164
2165     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2166     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2167     ...
2168 @end example
2169
2170 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2171 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2172 full symmetry in the first six indices you would write
2173 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2174
2175 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2176 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2177
2178 @example
2179     ...
2180     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2181           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2182      // -> 2*A.j.i
2183     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2184           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2185      // -> 0
2186     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2187           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2188      // -> 0
2189     ...
2190 @end example
2191
2192 @cindex @code{get_free_indices()}
2193 @cindex dummy index
2194 @subsection Dummy indices
2195
2196 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2197 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2198 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2199 dummy nor free indices.
2200
2201 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2202 class and their value must be the same single symbol (an index like
2203 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2204 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2205 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2206
2207 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2208 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2209 of a sum are consistent:
2210
2211 @example
2212 @{
2213     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2214
2215     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2216     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2217
2218     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2219     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2220      // -> (.i,.k)
2221      // 'j' and 'l' are dummy indices
2222
2223     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2224     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2225
2226     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2227       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2228     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2229      // -> (~mu,~rho)
2230      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2231
2232     e = indexed(A, mu, mu);
2233     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2234      // -> (~mu)
2235      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2236      // variance
2237
2238     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2239     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2240      // this will throw an exception:
2241      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2242 @}
2243 @end example
2244
2245 @cindex @code{simplify_indexed()}
2246 @subsection Simplifying indexed expressions
2247
2248 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2249 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2250 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2251 there is the method
2252
2253 @example
2254 ex ex::simplify_indexed();
2255 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2256 @end example
2257
2258 that performs some more expensive operations:
2259
2260 @itemize
2261 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2262   @code{get_free_indices()} does
2263 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2264   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2265 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2266   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2267   next section)
2268 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2269   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2270 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2271   of two tensors with a user-defined value
2272 @end itemize
2273
2274 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2275 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2276 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2277
2278 @example
2279 @{
2280     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2281     idx i(i_sym, 3);
2282
2283     scalar_products sp;
2284     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2285     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2286     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2287
2288     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2289     cout << e << endl;
2290      // -> (B+A).i*(A+C).i
2291
2292     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2293          << endl;
2294      // -> 4+C.i*B.i
2295 @}
2296 @end example
2297
2298 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2299 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2300 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2301 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2302 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2303 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2304 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2305 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2306
2307 @cindex @code{expand()}
2308 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2309 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2310 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2311
2312 @cindex @code{tensor} (class)
2313 @subsection Predefined tensors
2314
2315 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2316 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2317 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2318 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2319 indices are specified).
2320
2321 @cindex @code{delta_tensor()}
2322 @subsubsection Delta tensor
2323
2324 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2325 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2326 @code{delta_tensor()}:
2327
2328 @example
2329 @{
2330     symbol A("A"), B("B");
2331
2332     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2333         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2334
2335     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2336          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2337     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2338      // -> B.i.j*A.i.j
2339
2340     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2341      // -> 3
2342 @}
2343 @end example
2344
2345 @cindex @code{metric_tensor()}
2346 @subsubsection General metric tensor
2347
2348 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2349 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2350 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2351 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2352
2353 @example
2354 @{
2355     symbol A("A");
2356
2357     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2358
2359     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2360     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2361      // -> A~mu~rho
2362
2363     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2364     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2365      // -> g~mu~rho
2366
2367     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2368       * metric_tensor(nu, rho);
2369     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2370      // -> delta.mu~rho
2371
2372     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2373       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2374         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2375     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2376      // -> 4+A.rho~rho
2377 @}
2378 @end example
2379
2380 @cindex @code{lorentz_g()}
2381 @subsubsection Minkowski metric tensor
2382
2383 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2384 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2385 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2386 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2387 @samp{eta}):
2388
2389 @example
2390 @{
2391     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2392
2393     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2394       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2395     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2396      // -> 1
2397
2398     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2399       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2400     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2401      // -> -1
2402 @}
2403 @end example
2404
2405 @cindex @code{spinor_metric()}
2406 @subsubsection Spinor metric tensor
2407
2408 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2409 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2410 It is output as @samp{eps}:
2411
2412 @example
2413 @{
2414     symbol psi("psi");
2415
2416     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2417     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2418
2419     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2420     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2421      // -> psi~A
2422
2423     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2424     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2425      // -> -psi~B
2426
2427     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2428     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2429      // -> -psi.A
2430
2431     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2432     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2433      // -> psi.B
2434
2435     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2436     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2437      // -> 2
2438
2439     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2440     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2441      // -> -delta.A~C
2442 @}
2443 @end example
2444
2445 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2446
2447 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2448 @cindex @code{lorentz_eps()}
2449 @subsubsection Epsilon tensor
2450
2451 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2452 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2453 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2454 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2455 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2456 @samp{eps}.
2457
2458 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2459 dimensions:
2460
2461 @example
2462 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2463 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2464 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2465 @end example
2466
2467 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2468 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2469 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2470 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2471 tensor):
2472
2473 @example
2474 @{
2475     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2476            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2477     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2478         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2479     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2480      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2481
2482     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2483     symbol A("A"), B("B");
2484     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2485     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2486      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2487     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2488     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2489      // -> 0
2490 @}
2491 @end example
2492
2493 @subsection Linear algebra
2494
2495 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2496 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2497 and scalar products):
2498
2499 @example
2500 @{
2501     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2502     symbol x("x"), y("y");
2503
2504     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2505     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2506     A = 1, 2,
2507         3, 4;
2508     X = x, y;
2509
2510     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2511      // -> 5
2512
2513     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2514     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2515      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2516
2517     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2518     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2519      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2520 @}
2521 @end example
2522
2523 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2524 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2525 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2526
2527 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2528 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2529 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2530 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2531
2532 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2533 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2534 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2535 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2536 of the metric tensor.
2537
2538
2539 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2540 @c    node-name, next, previous, up
2541 @section Non-commutative objects
2542
2543 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2544 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2545 physics:
2546
2547 @itemize
2548 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2549 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2550 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2551 @end itemize
2552
2553 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2554 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2555 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2556 @ref{Matrices}.
2557
2558 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2559 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2560 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2561 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2562 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2563 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2564 by their class. Consider this example:
2565
2566 @example
2567     ...
2568     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2569     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2570     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2571     cout << e << endl;
2572      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2573     ...
2574 @end example
2575
2576 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2577 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2578 together while preserving the order of factors within each class (because
2579 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2580 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2581 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2582 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2583
2584 @cindex @code{ncmul} (class)
2585 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2586 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2587 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2588 though.
2589
2590 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2591 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2592 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2593 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2594 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2595 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2596 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2597 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2598 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2599 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2600
2601 @cindex @code{return_type()}
2602 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2603 Information about the commutativity of an object or expression can be
2604 obtained with the two member functions
2605
2606 @example
2607 unsigned ex::return_type() const;
2608 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2609 @end example
2610
2611 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2612 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2613 expressions in GiNaC:
2614
2615 @itemize
2616 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2617   classes are of this kind.
2618 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2619   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2620   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2621   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2622   class.
2623 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2624   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2625   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2626   @code{noncommutative_composite} expressions.
2627 @end itemize
2628
2629 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2630 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2631 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2632 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2633
2634 Here are a couple of examples:
2635
2636 @cartouche
2637 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2638 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2639 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2640 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2641 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2642 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2643 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2644 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2645 @end multitable
2646 @end cartouche
2647
2648 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2649 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2650 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2651 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2652 for color objects.
2653
2654 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2655 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2656 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2657 non-commutative expressions).
2658
2659
2660 @cindex @code{clifford} (class)
2661 @subsection Clifford algebra
2662
2663 @cindex @code{dirac_gamma()}
2664 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2665 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2666 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2667 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2668
2669 @example
2670 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2671 @end example
2672
2673 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2674 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2675 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2676 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2677 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2678 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2679
2680 @cindex @code{dirac_ONE()}
2681 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2682
2683 @example
2684 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2685 @end example
2686
2687 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2688 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2689 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2690 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2691 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2692
2693 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2694 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2695 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2696 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2697
2698 @example
2699 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2700 @end example
2701
2702 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2703 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2704 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2705 objects, constructed by
2706
2707 @example
2708 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2709 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2710 @end example
2711
2712 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2713 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2714
2715 @cindex @code{dirac_slash()}
2716 Finally, the function
2717
2718 @example
2719 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2720 @end example
2721
2722 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2723 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2724 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2725 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2726
2727 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2728 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2729 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2730
2731 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2732 for example
2733
2734 @example
2735 @{
2736     ...
2737     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2738     varidx mu(symbol("mu"), D);
2739     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2740          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2741     cout << e << endl;
2742      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2743     e = e.simplify_indexed();
2744     cout << e << endl;
2745      // -> -D*a\+2*a\
2746     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2747      // -> -2*a\
2748     ...
2749 @}
2750 @end example
2751
2752 @cindex @code{dirac_trace()}
2753 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2754 you use the function
2755
2756 @example
2757 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2758 @end example
2759
2760 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2761 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2762 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2763 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2764 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2765 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2766 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2767 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2768 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2769
2770 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2771 @math{D != 4} dimensions:
2772
2773 @example
2774 @{
2775     // 4 dimensions
2776     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2777     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2778            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2779     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2780      // -> -8*eta~rho~nu
2781 @}
2782 ...
2783 @{
2784     // D dimensions
2785     symbol D("D");
2786     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2787     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2788            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2789     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2790      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2791 @}
2792 @end example
2793
2794 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2795 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2796 QED:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2801     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2802
2803     scalar_products sp;
2804     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2805     sp.add(l, q, ldotq);
2806
2807     ex e = dirac_gamma(mu) *
2808            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2809            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2810            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2811     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2812     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2813     cout << e << endl;
2814      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2815 @}
2816 @end example
2817
2818 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2819 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2820 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2821
2822 @example
2823 @{
2824     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2825     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2826     cout << e << endl;
2827      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2828
2829     e = canonicalize_clifford(e);
2830     cout << e << endl;
2831      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
2832 @}
2833 @end example
2834
2835
2836 @cindex @code{color} (class)
2837 @subsection Color algebra
2838
2839 @cindex @code{color_T()}
2840 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2841 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2842 elements @math{T_a} are constructed by the function
2843
2844 @example
2845 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2846 @end example
2847
2848 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2849 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2850 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2851 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2852 not @code{varidx}.
2853
2854 @cindex @code{color_ONE()}
2855 The unity element of a color algebra is constructed by
2856
2857 @example
2858 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2859 @end example
2860
2861 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2862 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2863 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2864 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2865 GiNaC may produce incorrect results.
2866
2867 @cindex @code{color_d()}
2868 @cindex @code{color_f()}
2869 The functions
2870
2871 @example
2872 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2873 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2874 @end example
2875
2876 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2877 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2878 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2879
2880 @cindex @code{color_h()}
2881 There's an additional function
2882
2883 @example
2884 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2885 @end example
2886
2887 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2888
2889 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2890 expressions containing color objects:
2891
2892 @example
2893 @{
2894     ...
2895     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2896         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2897
2898     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2899     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2900      // -> 0
2901
2902     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2903     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2904      // -> 5/3*delta.k.l
2905
2906     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2907     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2908      // -> 3*delta.k.l
2909
2910     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2911     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2912      // -> -32/3
2913
2914     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2915     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2916      // -> -2/3*T.a
2917
2918     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2919     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2920      // -> -8/9*ONE
2921
2922     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2923     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2924      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2925     ...
2926 @end example
2927
2928 @cindex @code{color_trace()}
2929 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2930 function
2931
2932 @example
2933 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2934 @end example
2935
2936 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2937 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2938 standing. For example:
2939
2940 @example
2941     ...
2942     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2943     cout << e << endl;
2944      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2945 @}
2946 @end example
2947
2948
2949 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2950 @c    node-name, next, previous, up
2951 @chapter Methods and Functions
2952 @cindex polynomial
2953
2954 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2955 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2956 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2957 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2958 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2959 example:
2960
2961 @example
2962     ...
2963     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2964     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2965     ...
2966 @end example
2967
2968 @cindex @code{subs()}
2969 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2970 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2971 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2972 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2973 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2974 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2975 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2976 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2977 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2978 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2979 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2980 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2981 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2982 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2983 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2984 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2985 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2986 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2987 avoided.
2988
2989 @menu
2990 * Information About Expressions::
2991 * Numerical Evaluation::
2992 * Substituting Expressions::
2993 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2994 * Applying a Function on Subexpressions::
2995 * Visitors and Tree Traversal::
2996 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2997 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2998 * Symbolic Differentiation::
2999 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3000 * Symmetrization::
3001 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3002 * Multiple polylogarithms::
3003 * Complex Conjugation::
3004 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3005 * Solving Linear Systems of Equations::
3006 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3007 @end menu
3008
3009
3010 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3011 @c    node-name, next, previous, up
3012 @section Getting information about expressions
3013
3014 @subsection Checking expression types
3015 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3016 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3017 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3018 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3019 @cindex @code{info()}
3020 @cindex @code{return_type()}
3021 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3022
3023 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3024 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3025 GiNaC provides a couple of functions for this:
3026
3027 @example
3028 bool is_a<T>(const ex & e);
3029 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3030 bool ex::info(unsigned flag);
3031 unsigned ex::return_type() const;
3032 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3033 @end example
3034
3035 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3036 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3037 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3038 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3039
3040 @example
3041 @{
3042     @dots{}
3043     if (is_a<numeric>(e))
3044         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3045     @dots{}
3046 @}
3047 @end example
3048
3049 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3050 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3051 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3052 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3053
3054 @example
3055 @{
3056     symbol x("x");
3057     ex e1 = 42;
3058     ex e2 = 4*x - 3;
3059     is_a<numeric>(e1);  // true
3060     is_a<numeric>(e2);  // false
3061     is_a<add>(e1);      // false
3062     is_a<add>(e2);      // true
3063     is_a<mul>(e1);      // false
3064     is_a<mul>(e2);      // false
3065 @}
3066 @end example
3067
3068 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3069 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3070 class @samp{T}, not including parent classes.
3071
3072 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3073 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3074 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3075 table:
3076
3077 @cartouche
3078 @multitable @columnfractions .30 .70
3079 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3080 @item @code{numeric}
3081 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
3082 @item @code{real}
3083 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3084 @item @code{rational}
3085 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3086 @item @code{integer}
3087 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3088 @item @code{crational}
3089 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3090 @item @code{cinteger}
3091 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3092 @item @code{positive}
3093 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3094 @item @code{negative}
3095 @tab @dots{}not complex and less than 0
3096 @item @code{nonnegative}
3097 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3098 @item @code{posint}
3099 @tab @dots{}an integer greater than 0
3100 @item @code{negint}
3101 @tab @dots{}an integer less than 0
3102 @item @code{nonnegint}
3103 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3104 @item @code{even}
3105 @tab @dots{}an even integer
3106 @item @code{odd}
3107 @tab @dots{}an odd integer
3108 @item @code{prime}
3109 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3110 @item @code{relation}
3111 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3112 @item @code{relation_equal}
3113 @tab @dots{}a @code{==} relation
3114 @item @code{relation_not_equal}
3115 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3116 @item @code{relation_less}
3117 @tab @dots{}a @code{<} relation
3118 @item @code{relation_less_or_equal}
3119 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3120 @item @code{relation_greater}
3121 @tab @dots{}a @code{>} relation
3122 @item @code{relation_greater_or_equal}
3123 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3124 @item @code{symbol}
3125 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3126 @item @code{list}
3127 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3128 @item @code{polynomial}
3129 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3130 @item @code{integer_polynomial}
3131 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3132 @item @code{cinteger_polynomial}
3133 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3134 @item @code{rational_polynomial}
3135 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3136 @item @code{crational_polynomial}
3137 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3138 @item @code{rational_function}
3139 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3140 @item @code{algebraic}
3141 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3142 @end multitable
3143 @end cartouche
3144
3145 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3146 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3147 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3148 for an explanation of these.
3149
3150
3151 @subsection Accessing subexpressions
3152 @cindex @code{nops()}
3153 @cindex @code{op()}
3154 @cindex container
3155 @cindex @code{relational} (class)
3156
3157 GiNaC provides the two methods
3158
3159 @example
3160 size_t ex::nops();
3161 ex ex::op(size_t i);
3162 @end example
3163
3164 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
3165 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
3166 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
3167 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
3168 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
3169 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
3170 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
3171
3172 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
3173 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
3174
3175 @example
3176 ex ex::lhs();
3177 ex ex::rhs();
3178 @end example
3179
3180
3181 @subsection Comparing expressions
3182 @cindex @code{is_equal()}
3183 @cindex @code{is_zero()}
3184
3185 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3186 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3187 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3188 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3189 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3190 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3191 @code{false}.
3192
3193 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3194 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3195 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3196
3197 There are also two methods
3198
3199 @example
3200 bool ex::is_equal(const ex & other);
3201 bool ex::is_zero();
3202 @end example
3203
3204 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3205 respectively.
3206
3207
3208 @subsection Ordering expressions
3209 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3210 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3211 @cindex @code{compare()}
3212
3213 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3214 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3215 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3216 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3217
3218 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3219 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3220 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3221 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3222 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3223 yield @code{true}.
3224
3225 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3226 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3227 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3228 predicates to the STL:
3229
3230 @example
3231 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3232 public:
3233     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3234 @};
3235
3236 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3237 public:
3238     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3239 @};
3240 @end example
3241
3242 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3243 have to use
3244
3245 @example
3246 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3247 @end example
3248
3249 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3250 bugs because the map operates improperly.
3251
3252 Other examples for the use of the functors:
3253
3254 @example
3255 std::vector<ex> v;
3256 // fill vector
3257 ...
3258
3259 // sort vector
3260 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3261
3262 // count the number of expressions equal to '1'
3263 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3264                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3265 @end example
3266
3267 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3268
3269 @example
3270 int ex::compare(const ex & other) const;
3271 @end example
3272
3273 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3274 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3275 after @code{other}.
3276
3277
3278 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3279 @c    node-name, next, previous, up
3280 @section Numerical Evaluation
3281 @cindex @code{evalf()}
3282
3283 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3284 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3285
3286 @example
3287 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3288 @end example
3289
3290 @cindex @code{Digits}
3291 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3292 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3293 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3294
3295 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3296 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3297
3298 @example
3299 @{
3300     // Approximate sin(x/Pi)
3301     symbol x("x");
3302     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3303
3304     // Evaluate numerically at x=0.1
3305     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3306
3307     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3308     if (is_a<numeric>(f)) @{
3309         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3310         cout << d << endl;
3311          // -> 0.0318256
3312     @} else
3313         // error
3314 @}
3315 @end example
3316
3317
3318 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3319 @c    node-name, next, previous, up
3320 @section Substituting expressions
3321 @cindex @code{subs()}
3322
3323 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3324 expressions via the @code{.subs()} method:
3325
3326 @example
3327 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3328 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3329 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3330 @end example
3331
3332 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3333 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3334
3335 @example
3336 @{
3337     symbol x("x"), y("y");
3338
3339     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3340     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3341      // -> 73
3342
3343     ex e2 = x*y + x;
3344     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3345      // -> -10
3346 @}
3347 @end example
3348
3349 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3350 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3351
3352 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3353 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3354 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3355 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3356 be substituted is large or unknown.
3357
3358 Using this form, the second example from above would look like this:
3359
3360 @example
3361 @{
3362     symbol x("x"), y("y");
3363     ex e2 = x*y + x;
3364
3365     exmap m;
3366     m[x] = -2;
3367     m[y] = 4;
3368     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3369 @}
3370 @end example
3371
3372 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3373 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3374 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3375
3376 @example
3377 @{
3378     symbol x("x"), y("y");
3379     ex e2 = x*y + x;
3380
3381     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3382 @}
3383 @end example
3384
3385 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3386 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3387 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3388 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3389 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3390 algebraic substitutions in products and powers.
3391 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3392 about patterns and algebraic substitutions.
3393
3394 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3395 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3396 following example:
3397
3398 @example
3399 @{
3400     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3401
3402     ex e1 = pow(x+y, 2);
3403     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3404      // -> 16
3405
3406     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3407     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3408      // -> cos(x)^2*sin(y)
3409
3410     ex e3 = x+y+z;
3411     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3412      // -> x+y+z
3413      // (and not 4+z as one might expect)
3414 @}
3415 @end example
3416
3417 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3418 next section.
3419
3420
3421 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3422 @c    node-name, next, previous, up
3423 @section Pattern matching and advanced substitutions
3424 @cindex @code{wildcard} (class)
3425 @cindex Pattern matching
3426
3427 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3428 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3429 substituting expressions in a more general way.
3430
3431 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3432 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3433 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3434 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3435 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3436 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3437 with the call
3438
3439 @example
3440 ex wild(unsigned label = 0);
3441 @end example
3442
3443 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3444 name.
3445
3446 Some examples for patterns:
3447
3448 @multitable @columnfractions .5 .5
3449 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3450 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3451 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3452 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3453 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3454 @end multitable
3455
3456 Notes:
3457
3458 @itemize
3459 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3460   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3461 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3462   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3463   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3464 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3465   possible to use them as placeholders for other properties like index
3466   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3467   etc.
3468 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3469   as part of noncommutative products.
3470 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3471   are also valid patterns.
3472 @end itemize
3473
3474 @subsection Matching expressions
3475 @cindex @code{match()}
3476 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3477 matches a given pattern. This is done by the function
3478
3479 @example
3480 bool ex::match(const ex & pattern);
3481 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3482 @end example
3483
3484 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3485 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3486 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3487 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3488 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3489 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3490 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3491 expressions by passing in the result of a previous match.
3492
3493 The matching algorithm works as follows:
3494
3495 @itemize
3496 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3497   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3498   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3499   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3500 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3501   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3502   etc.).
3503 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3504   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3505 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3506   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3507   of the pattern.
3508 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3509   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3510 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3511   match the corresponding subexpression of the pattern.
3512 @end itemize
3513
3514 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3515 account for their commutativity and associativity:
3516
3517 @itemize
3518 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3519   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3520   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3521   way.
3522 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3523   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3524   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3525   further matches.
3526 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3527   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3528   which case this wildcard matches the remaining terms.
3529 @end itemize
3530
3531 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3532 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3533 ambiguous results.
3534
3535 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3536 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3537 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3538
3539 @example
3540 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3541 @{@}
3542 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3543 FAIL
3544 > match((x+y)^a,$1^$2);
3545 @{$1==x+y,$2==a@}
3546 > match((x+y)^a,$1^$1);
3547 FAIL
3548 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3549 @{$1==x+y@}
3550 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3551 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3552 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3553 @{$1==a@}
3554 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3555 @{$1==c,$2==b@}
3556   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3557 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3558   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3559    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3560    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3561    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3562    fail.)
3563 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3564   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3565    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3566 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3567 FAIL
3568 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3569 @{$0==a+e+b+f+d@}
3570 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3571 @{$0==a+b+f+d@}
3572 > match(a+b,a+b+$0);
3573 @{$0==0@}
3574 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3575 FAIL
3576   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3577    even though a==a^1.)
3578 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3579 @{$0==x@}
3580 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3581 @{$0==x^2@}
3582 @end example
3583
3584 @subsection Matching parts of expressions
3585 @cindex @code{has()}
3586 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3587 member function
3588
3589 @example
3590 bool ex::has(const ex & pattern);
3591 @end example
3592
3593 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3594 by any of its subexpressions.
3595
3596 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3597 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3598
3599 @example
3600 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3601 1
3602 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3603 0
3604   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3605    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3606 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3607 1
3608   (But this is possible.)
3609 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3610 0
3611   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3612    which "x+y" is not a subexpression.)
3613 > has(x+1,x^$1);
3614 0
3615   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3616    "x^something".)
3617 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3618 1
3619 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3620 0
3621   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3622    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3623    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3624 @end example
3625
3626 @cindex @code{find()}
3627 The method
3628
3629 @example
3630 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3631 @end example
3632
3633 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3634 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3635 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3636 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3637 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3638
3639 @example
3640 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3641 @{x@}
3642 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3643 @{@}
3644 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3645 @{x^3,x^2@}
3646   (Note the absence of "x".)
3647 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3648 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3649 > find(%,sin($1));
3650 @{sin(y),sin(x)@}
3651 @end example
3652
3653 @subsection Substituting expressions
3654 @cindex @code{subs()}
3655 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3656 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3657 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3658 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3659 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3660
3661 Some examples:
3662
3663 @example
3664 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3665 b^3+a^3+(x+y)^3
3666 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3667 b^4+a^4+(x+y)^4
3668 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3669 (a+b+c)^2
3670 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3671 (x+c)^2
3672 > subs(a+2*b,a+b==x);
3673 a+2*b
3674 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3675 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3676 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3677 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3678 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3679 cos(1+cos(x))
3680 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3681 a+b
3682 @end example
3683
3684 The last example would be written in C++ in this way:
3685
3686 @example
3687 @{
3688     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3689     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3690     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3691     cout << e.expand() << endl;
3692      // -> a+b
3693 @}
3694 @end example
3695
3696 @subsection Algebraic substitutions
3697 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
3698 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
3699 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
3700 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
3701 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
3702 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
3703 powers.
3704
3705 An example clarifies it all (hopefully):
3706
3707 @example
3708 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
3709                                         subs_options::algebraic) << endl;
3710 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
3711
3712 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
3713 // --> (c+b+a)^2
3714 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
3715
3716 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
3717                                                                       << endl;
3718 // --> (x+c)^2
3719 // As I said: addition is just the same.
3720
3721 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
3722 // --> x^3*b*a^2+2*b
3723
3724 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
3725                                                                        << endl;
3726 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
3727
3728 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
3729 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
3730
3731 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
3732                                 subs_options::algebraic) << endl;
3733 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
3734 // You should not really need this kind of patterns very often now.
3735 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
3736
3737 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
3738                                 subs_options::algebraic) << endl;
3739 // --> cos(1+cos(x))
3740
3741 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
3742         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
3743                                 subs_options::algebraic)) << endl;
3744 // --> b+a
3745 @end example
3746
3747
3748 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3749 @c    node-name, next, previous, up
3750 @section Applying a Function on Subexpressions
3751 @cindex tree traversal
3752 @cindex @code{map()}
3753
3754 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3755 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3756 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3757 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3758 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3759 to do this manually which usually results in code like this:
3760
3761 @example
3762 ex calc_trace(ex e)
3763 @{
3764     if (is_a<matrix>(e))
3765         return ex_to<matrix>(e).trace();
3766     else if (is_a<add>(e)) @{
3767         ex sum = 0;
3768         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
3769             sum += calc_trace(e.op(i));
3770         return sum;
3771     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3772         ...
3773     @} else @{
3774         ...
3775     @}
3776 @}
3777 @end example
3778
3779 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3780 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3781 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3782 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3783 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3784
3785 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3786 operations:
3787
3788 @example
3789 ex ex::map(map_function & f) const;
3790 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3791 @end example
3792
3793 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3794 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3795 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3796 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3797 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3798 non-recursively.
3799
3800 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3801 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3802 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3803 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3804 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3805
3806 @example
3807 struct calc_trace : public map_function @{
3808     ex operator()(const ex &e)
3809     @{
3810         if (is_a<matrix>(e))
3811             return ex_to<matrix>(e).trace();
3812         else if (is_a<mul>(e)) @{
3813             ...
3814         @} else
3815             return e.map(*this);
3816     @}
3817 @};
3818 @end example
3819
3820 This function object could then be used like this:
3821
3822 @example
3823 @{
3824     ex M = ... // expression with matrices
3825     calc_trace do_trace;
3826     ex tr = do_trace(M);
3827 @}
3828 @end example
3829
3830 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3831 terms in a variable from an expanded polynomial:
3832
3833 @example
3834 struct map_rem_quad : public map_function @{
3835     ex var;
3836     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3837
3838     ex operator()(const ex & e)
3839     @{
3840         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3841             return e.map(*this);
3842         else if (is_a<power>(e) && 
3843                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3844             return 0;
3845         else
3846             return e;
3847     @}
3848 @};
3849
3850 ...
3851
3852 @{
3853     symbol x("x"), y("y");
3854
3855     ex e;
3856     for (int i=0; i<8; i++)
3857         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3858     cout << e << endl;
3859      // -> 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
3860
3861     map_rem_quad rem_quad(x);
3862     cout << rem_quad(e) << endl;
3863      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3864 @}
3865 @end example
3866
3867 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3868 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3869 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3870 acts as the placeholder for the operands:
3871
3872 @example
3873 > map(a*b,sin($0));
3874 sin(a)*sin(b)
3875 > map(a+2*b,sin($0));
3876 sin(a)+sin(2*b)
3877 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3878 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3879 @end example
3880
3881 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3882 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3883 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3884
3885 @example
3886 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3887 @{0,0,0@}
3888   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3889   to "map(@{a,b,c@},0)".
3890 @end example
3891
3892
3893 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3894 @c    node-name, next, previous, up
3895 @section Visitors and Tree Traversal
3896 @cindex tree traversal
3897 @cindex @code{visitor} (class)
3898 @cindex @code{accept()}
3899 @cindex @code{visit()}
3900 @cindex @code{traverse()}
3901 @cindex @code{traverse_preorder()}
3902 @cindex @code{traverse_postorder()}
3903
3904 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
3905 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
3906 indices with variance you always want the covariant version returned.
3907
3908 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
3909 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
3910 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
3911 with variance, one for plain ones).
3912
3913 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
3914 such as the following:
3915
3916 @example
3917 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
3918 @{
3919     if (is_a<varidx>(e)) @{
3920         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
3921         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3922     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
3923         l.append(e);
3924     @} else @{
3925         size_t n = e.nops();
3926         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
3927             gather_indices_helper(e.op(i), l);
3928     @}
3929 @}
3930
3931 lst gather_indices(const ex & e)
3932 @{
3933     lst l;
3934     gather_indices_helper(e, l);
3935     l.sort();
3936     l.unique();
3937     return l;
3938 @}
3939 @end example
3940
3941 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
3942 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
3943 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
3944
3945 @example
3946     if (is_a<idx>(e)) @{
3947       ...
3948     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
3949       ...
3950 @end example
3951
3952 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
3953 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
3954 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
3955 executed.
3956
3957 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
3958 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
3959 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
3960 write a function that required a different implementation for nearly
3961 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
3962
3963 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
3964 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
3965 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
3966 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
3967 impossible to add virtual member functions to existing classes without
3968 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
3969 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
3970 presented this would be impractical.
3971
3972 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
3973 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
3974 variation, described in detail in
3975 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
3976 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
3977 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
3978 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
3979 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
3980 object that @code{accept()} was being invoked on.
3981
3982 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
3983 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
3984 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
3985 each class.
3986
3987 A call of
3988
3989 @example
3990 void ex::accept(visitor & v) const;
3991 @end example
3992
3993 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
3994 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
3995 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
3996
3997 Here is an example of a visitor:
3998
3999 @example
4000 class my_visitor
4001  : public visitor,          // this is required
4002    public add::visitor,     // visit add objects
4003    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4004    public basic::visitor    // visit basic objects
4005 @{
4006     void visit(const add & x)
4007     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4008
4009     void visit(const numeric & x)
4010     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4011
4012     void visit(const basic & x)
4013     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4014 @};
4015 @end example
4016
4017 which can be used as follows:
4018
4019 @example
4020 ...
4021     symbol x("x");
4022     ex e1 = 42;
4023     ex e2 = 4*x-3;
4024     ex e3 = 8*x;
4025
4026     my_visitor v;
4027     e1.accept(v);
4028      // prints "called with a numeric object"
4029     e2.accept(v);
4030      // prints "called with an add object"
4031     e3.accept(v);
4032      // prints "called with a basic object"
4033 ...
4034 @end example
4035
4036 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4037 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4038
4039 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4040 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4041 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4042 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4043 hierarchies of visitors.
4044
4045 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4046
4047 @example
4048 class gather_indices_visitor
4049  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4050 @{
4051     lst l;
4052
4053     void visit(const idx & i)
4054     @{
4055         l.append(i);
4056     @}
4057
4058     void visit(const varidx & vi)
4059     @{
4060         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4061     @}
4062
4063 public:
4064     const lst & get_result() // utility function
4065     @{
4066         l.sort();
4067         l.unique();
4068         return l;
4069     @}
4070 @};
4071 @end example
4072
4073 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4074 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4075
4076 @example
4077 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4078 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4079 void ex::traverse(visitor & v) const;
4080 @end example
4081
4082 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4083 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4084 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4085 @code{traverse_preorder()}.
4086
4087 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4088 and @code{traverse()}:
4089
4090 @example
4091 lst gather_indices(const ex & e)
4092 @{
4093     gather_indices_visitor v;
4094     e.traverse(v);
4095     return v.get_result();
4096 @}
4097 @end example
4098
4099
4100 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4101 @c    node-name, next, previous, up
4102 @section Polynomial arithmetic
4103
4104 @subsection Expanding and collecting
4105 @cindex @code{expand()}
4106 @cindex @code{collect()}
4107 @cindex @code{collect_common_factors()}
4108
4109 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4110 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4111 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4112 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4113 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4114 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4115 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4116 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4117 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4118 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4119 x*z}.
4120
4121 To bring an expression into expanded form, its method
4122
4123 @example
4124 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4125 @end example
4126
4127 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4128 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4129 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4130 orderings of terms in such sums!
4131
4132 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4133 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4134 being polynomials in the remaining variables.  The method
4135 @code{collect()} accomplishes this task:
4136
4137 @example
4138 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4139 @end example
4140
4141 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4142 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4143 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4144 by the @code{distributed} flag.
4145
4146 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4147 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4148 coefficients properly.
4149
4150 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4151 together with @code{find()}:
4152
4153 @example
4154 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4155 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)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4156 > collect(a,@{p,q@});
4157 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4158 > collect(a,find(a,sin($1)));
4159 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4160 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4161 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4162 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4163 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4164 @end example
4165
4166 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4167 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4168
4169 @example
4170 ex collect_common_factors(const ex & e);
4171 @end example
4172
4173 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4174 factors which are already explicitly present:
4175
4176 @example
4177 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4178 (x+y)*a
4179 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4180 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4181 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4182 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4183 @end example
4184
4185 @subsection Degree and coefficients
4186 @cindex @code{degree()}
4187 @cindex @code{ldegree()}
4188 @cindex @code{coeff()}
4189
4190 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4191 methods
4192
4193 @example
4194 int ex::degree(const ex & s);
4195 int ex::ldegree(const ex & s);
4196 @end example
4197
4198 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4199 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4200 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4201 an expanded polynomial you use
4202
4203 @example
4204 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4205 @end example
4206
4207 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4208
4209 @example
4210 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4211 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4212 @end example
4213
4214 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4215 respectively.
4216
4217 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4218 polynomial is analyzed:
4219
4220 @example
4221 @{
4222     symbol x("x"), y("y");
4223     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4224                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4225     ex Poly = PolyInp.expand();
4226     
4227     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4228         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4229              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4230     @}
4231     cout << "As polynomial in y: " 
4232          << Poly.collect(y) << endl;
4233 @}
4234 @end example
4235
4236 When run, it returns an output in the following fashion:
4237
4238 @example
4239 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4240 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4241 The x^2-coefficient is -1
4242 The x^3-coefficient is 4*y
4243 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4244 @end example
4245
4246 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4247 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4248 within the user's sphere of influence.
4249
4250 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4251 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4252 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4253 constants, functions and indexed objects as well:
4254
4255 @example
4256 @{
4257     symbol a("a"), b("b"), c("c");
4258     idx i(symbol("i"), 3);
4259
4260     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4261     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4262      // -> 4
4263     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4264      // -> -4*cos(x)
4265
4266     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4267     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4268     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4269      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4270 @}
4271 @end example
4272
4273
4274 @subsection Polynomial division
4275 @cindex polynomial division
4276 @cindex quotient
4277 @cindex remainder
4278 @cindex pseudo-remainder
4279 @cindex @code{quo()}
4280 @cindex @code{rem()}
4281 @cindex @code{prem()}
4282 @cindex @code{divide()}
4283
4284 The two functions
4285
4286 @example
4287 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4288 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4289 @end example
4290
4291 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4292 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4293
4294 The additional function
4295
4296 @example
4297 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4298 @end example
4299
4300 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4301 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4302
4303 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4304
4305 @example
4306 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4307 @end example
4308
4309 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4310 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4311 in which case the value of @code{q} is undefined.
4312
4313
4314 @subsection Unit, content and primitive part
4315 @cindex @code{unit()}
4316 @cindex @code{content()}
4317 @cindex @code{primpart()}
4318
4319 The methods
4320
4321 @example
4322 ex ex::unit(const ex & x);
4323 ex ex::content(const ex & x);
4324 ex ex::primpart(const ex & x);
4325 @end example
4326
4327 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4328 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4329 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4330 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4331 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4332 original polynomial.
4333
4334
4335 @subsection GCD and LCM
4336 @cindex GCD
4337 @cindex LCM
4338 @cindex @code{gcd()}
4339 @cindex @code{lcm()}
4340
4341 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4342 multiple have the synopsis
4343
4344 @example
4345 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4346 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4347 @end example
4348
4349 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4350 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4351 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4352 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4353 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4354
4355 @example
4356 #include <ginac/ginac.h>
4357 using namespace GiNaC;
4358
4359 int main()
4360 @{
4361     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4362     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4363     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4364
4365     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4366     // x + 5*y + 4*z
4367     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4368     // 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
4369 @}
4370 @end example
4371
4372
4373 @subsection Square-free decomposition
4374 @cindex square-free decomposition
4375 @cindex factorization
4376 @cindex @code{sqrfree()}
4377
4378 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4379 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4380 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4381 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4382 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4383 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4384 one, too:
4385 @example
4386 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4387 @end example
4388 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4389 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4390 some care with subsequent processing of the result:
4391 @example
4392     ...
4393     symbol x("x"), y("y");
4394     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4395
4396     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4397      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4398
4399     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4400      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4401
4402     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4403      // -> depending on luck, any of the above
4404     ...
4405 @end example
4406 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4407 with this method.
4408
4409
4410 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4411 @c    node-name, next, previous, up
4412 @section Rational expressions
4413
4414 @subsection The @code{normal} method
4415 @cindex @code{normal()}
4416 @cindex simplification
4417 @cindex temporary replacement
4418
4419 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4420 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4421 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4422 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4423 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4424 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4425
4426 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4427 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4428 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4429 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4430 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4431 @code{.to_rational()}, described below.
4432
4433 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4434 simplified in this little code snippet:
4435
4436 @example
4437 @{
4438     symbol x("x");
4439     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4440     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4441     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4442     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4443 @}
4444 @end example
4445
4446 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4447 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4448 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4449
4450
4451 @subsection Numerator and denominator
4452 @cindex numerator
4453 @cindex denominator
4454 @cindex @code{numer()}
4455 @cindex @code{denom()}
4456 @cindex @code{numer_denom()}
4457
4458 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4459
4460 @example
4461 ex ex::numer();
4462 ex ex::denom();
4463 ex ex::numer_denom();
4464 @end example
4465
4466 These functions will first normalize the expression as described above and
4467 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4468 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4469 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4470
4471
4472 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4473 @cindex @code{to_polynomial()}
4474 @cindex @code{to_rational()}
4475
4476 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4477 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4478 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4479 above. You do this by calling
4480
4481 @example
4482 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4483 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4484 @end example
4485 or
4486 @example
4487 ex ex::to_rational(exmap & m);
4488 ex ex::to_rational(lst & l);
4489 @end example
4490
4491 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4492 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4493 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4494 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4495 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4496 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4497
4498 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4499 is probably best illustrated with an example:
4500
4501 @example
4502 @{
4503     symbol x("x"), y("y");
4504     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4505     cout << a << endl;
4506
4507     lst lp;
4508     ex p = a.to_polynomial(lp);
4509     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4510      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4511      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4512
4513     lst lr;
4514     ex r = a.to_rational(lr);
4515     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4516      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4517      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4518 @}
4519 @end example
4520
4521 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4522
4523 @example
4524 @{
4525     symbol x("x");
4526     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4527     ex b = sin(x) + cos(x);
4528     ex q;
4529     exmap m;
4530     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4531     cout << q.subs(m) << endl;
4532 @}
4533 @end example
4534
4535
4536 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4537 @c    node-name, next, previous, up
4538 @section Symbolic differentiation
4539 @cindex differentiation
4540 @cindex @code{diff()}
4541 @cindex chain rule
4542 @cindex product rule
4543
4544 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4545 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4546 the derivatives of all the monomials:
4547
4548 @example
4549 @{
4550     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4551     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4552
4553     cout << P.diff(x,2) << endl;
4554      // -> 20*x^3 + 2
4555     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4556      // -> 1
4557     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4558      // -> 0
4559 @}
4560 @end example
4561
4562 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4563 returns the @var{n}th derivative.
4564
4565 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4566 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4567 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4568 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4569 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4570 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4571 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4572 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4573 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4574 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4575 lines:
4576
4577 @cindex Euler numbers
4578 @example
4579 #include <ginac/ginac.h>
4580 using namespace GiNaC;
4581
4582 ex EulerNumber(unsigned n)
4583 @{
4584     symbol x;
4585     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4586     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4587 @}
4588
4589 int main()
4590 @{
4591     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4592         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4593     return 0;
4594 @}
4595 @end example
4596
4597 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4598 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4599 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4600
4601
4602 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4603 @c    node-name, next, previous, up
4604 @section Series expansion
4605 @cindex @code{series()}
4606 @cindex Taylor expansion
4607 @cindex Laurent expansion
4608 @cindex @code{pseries} (class)
4609 @cindex @code{Order()}
4610
4611 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
4612 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
4613 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
4614 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
4615 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
4616 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
4617 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
4618 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
4619 term).  A sample application from special relativity could read:
4620
4621 @example
4622 #include <ginac/ginac.h>
4623 using namespace std;
4624 using namespace GiNaC;
4625
4626 int main()
4627 @{
4628     symbol v("v"), c("c");
4629     
4630     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
4631     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
4632     
4633     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
4634          << mass_nonrel << endl;
4635     
4636     cout << "the inverse square of this series is " << endl
4637          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
4638 @}
4639 @end example
4640
4641 Only calling the series method makes the last output simplify to
4642 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
4643 series raised to the power @math{-2}.
4644
4645 @cindex Machin's formula
4646 As another instructive application, let us calculate the numerical 
4647 value of Archimedes' constant
4648 @tex
4649 $\pi$
4650 @end tex
4651 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
4652 using John Machin's amazing formula
4653 @tex
4654 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
4655 @end tex
4656 @ifnottex
4657 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
4658 @end ifnottex
4659 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
4660 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
4661 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
4662 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
4663 order term with it and the question arises what the system is supposed
4664 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
4665 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
4666 term off:
4667
4668 @example
4669 #include <ginac/ginac.h>
4670 using namespace GiNaC;
4671
4672 ex machin_pi(int degr)
4673 @{
4674     symbol x;
4675     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
4676     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
4677                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
4678     return pi_approx;
4679 @}
4680
4681 int main()
4682 @{
4683     using std::cout;  // just for fun, another way of...
4684     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
4685     ex pi_frac;
4686     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
4687         pi_frac = machin_pi(i);
4688         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
4689              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
4690     @}
4691     return 0;
4692 @}
4693 @end example
4694
4695 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
4696 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
4697 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
4698 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
4699 program, it will type out:
4700
4701 @example
4702 2:      3804/1195
4703         3.1832635983263598326
4704 4:      5359397032/1706489875
4705         3.1405970293260603143
4706 6:      38279241713339684/12184551018734375
4707         3.141621029325034425
4708 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4709         3.141591772182177295
4710 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4711         3.1415926824043995174
4712 @end example
4713
4714
4715 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4716 @c    node-name, next, previous, up
4717 @section Symmetrization
4718 @cindex @code{symmetrize()}
4719 @cindex @code{antisymmetrize()}
4720 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4721
4722 The three methods
4723
4724 @example
4725 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4726 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4727 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4728 @end example
4729
4730 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4731 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4732 weighted by the number of permutations.
4733
4734 The three additional methods
4735
4736 @example
4737 ex ex::symmetrize();
4738 ex ex::antisymmetrize();
4739 ex ex::symmetrize_cyclic();
4740 @end example
4741
4742 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4743
4744 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4745 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4746
4747 @example
4748 @{
4749     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4750     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4751                                            
4752     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4753      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4754     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4755      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4756     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4757      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4758 @}
4759 @end example
4760
4761 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
4762 @c    node-name, next, previous, up
4763 @section Predefined mathematical functions
4764 @c
4765 @subsection Overview
4766
4767 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4768
4769 @cartouche
4770 @multitable @columnfractions .30 .70
4771 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4772 @item @code{abs(x)}
4773 @tab absolute value
4774 @cindex @code{abs()}
4775 @item @code{csgn(x)}
4776 @tab complex sign
4777 @cindex @code{conjugate()}
4778 @item @code{conjugate(x)}
4779 @tab complex conjugation
4780 @cindex @code{csgn()}
4781 @item @code{sqrt(x)}
4782 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4783 @cindex @code{sqrt()}
4784 @item @code{sin(x)}
4785 @tab sine
4786 @cindex @code{sin()}
4787 @item @code{cos(x)}
4788 @tab cosine
4789 @cindex @code{cos()}
4790 @item @code{tan(x)}
4791 @tab tangent
4792 @cindex @code{tan()}
4793 @item @code{asin(x)}
4794 @tab inverse sine
4795 @cindex @code{asin()}
4796 @item @code{acos(x)}
4797 @tab inverse cosine
4798 @cindex @code{acos()}
4799 @item @code{atan(x)}
4800 @tab inverse tangent
4801 @cindex @code{atan()}
4802 @item @code{atan2(y, x)}
4803 @tab inverse tangent with two arguments
4804 @item @code{sinh(x)}
4805 @tab hyperbolic sine
4806 @cindex @code{sinh()}
4807 @item @code{cosh(x)}
4808 @tab hyperbolic cosine
4809 @cindex @code{cosh()}
4810 @item @code{tanh(x)}
4811 @tab hyperbolic tangent
4812 @cindex @code{tanh()}
4813 @item @code{asinh(x)}
4814 @tab inverse hyperbolic sine
4815 @cindex @code{asinh()}
4816 @item @code{acosh(x)}
4817 @tab inverse hyperbolic cosine
4818 @cindex @code{acosh()}
4819 @item @code{atanh(x)}
4820 @tab inverse hyperbolic tangent
4821 @cindex @code{atanh()}
4822 @item @code{exp(x)}
4823 @tab exponential function
4824 @cindex @code{exp()}
4825 @item @code{log(x)}
4826 @tab natural logarithm
4827 @cindex @code{log()}
4828 @item @code{Li2(x)}
4829 @tab dilogarithm
4830 @cindex @code{Li2()}
4831 @item @code{Li(m, x)}
4832 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
4833 @cindex @code{Li()}
4834 @item @code{S(n, p, x)}
4835 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
4836 @cindex @code{S()}
4837 @item @code{H(m, x)}
4838 @tab harmonic polylogarithm
4839 @cindex @code{H()}
4840 @item @code{zeta(m)}
4841 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
4842 @cindex @code{zeta()}
4843 @item @code{zeta(m, s)}
4844 @tab alternating Euler sum
4845 @cindex @code{zeta()}
4846 @item @code{zetaderiv(n, x)}
4847 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4848 @item @code{tgamma(x)}
4849 @tab gamma function
4850 @cindex @code{tgamma()}
4851 @cindex gamma function
4852 @item @code{lgamma(x)}
4853 @tab logarithm of gamma function
4854 @cindex @code{lgamma()}
4855 @item @code{beta(x, y)}
4856 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4857 @cindex @code{beta()}
4858 @item @code{psi(x)}
4859 @tab psi (digamma) function
4860 @cindex @code{psi()}
4861 @item @code{psi(n, x)}
4862 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4863 @item @code{factorial(n)}
4864 @tab factorial function
4865 @cindex @code{factorial()}
4866 @item @code{binomial(n, m)}
4867 @tab binomial coefficients
4868 @cindex @code{binomial()}
4869 @item @code{Order(x)}
4870 @tab order term function in truncated power series
4871 @cindex @code{Order()}
4872 @end multitable
4873 @end cartouche
4874
4875 @cindex branch cut
4876 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4877 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4878 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4879 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4880 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4881 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4882 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4883 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4884 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4885 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4886 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4887 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4888 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4889 compatible with C99.
4890
4891 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
4892 @c    node-name, next, previous, up
4893 @subsection Multiple polylogarithms
4894
4895 @cindex polylogarithm
4896 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
4897 @cindex harmonic polylogarithm
4898 @cindex multiple zeta value
4899 @cindex alternating Euler sum
4900 @cindex multiple polylogarithm
4901
4902 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
4903 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
4904 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
4905 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
4906 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
4907 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
4908
4909 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
4910 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
4911 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
4912
4913 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
4914 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
4915 for the argument @code{x} as well.
4916 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
4917 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
4918 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
4919 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
4920 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
4921
4922 The functions print in LaTeX format as
4923 @tex
4924 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
4925 @end tex
4926 @tex
4927 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
4928 @end tex
4929 @tex
4930 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
4931 @end tex
4932 @tex
4933 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
4934 @end tex
4935 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
4936 are printed with a line above, e.g.
4937 @tex
4938 $\zeta(5,\overline{2})$.
4939 @end tex
4940 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
4941
4942 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
4943 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
4944 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
4945 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
4946
4947 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
4948 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
4949 the series representation. This means
4950 @tex
4951 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
4952 @end tex
4953 @tex
4954 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
4955 @end tex
4956 @tex
4957 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
4958 @end tex
4959 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
4960 is reversed.
4961
4962 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
4963 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
4964 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
4965 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
4966 @tex
4967 $\zeta(\overline{3},4)$.
4968 @end tex
4969 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
4970 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
4971 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
4972 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
4973 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
4974 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
4975 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
4976
4977 @example
4978 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
4979 S(2,2,x)
4980 > H(@{-3,2@},1);
4981 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
4982 > S(3,1,1);
4983 1/90*Pi^4
4984 @end example
4985
4986 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
4987 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
4988 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
4989 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
4990 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
4991 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
4992
4993 @example
4994 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
4995 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
4996 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
4997 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
4998 @end example
4999
5000 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
5001 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
5002 @tex
5003 $x_i$ the condition
5004 @end tex
5005 @tex
5006 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5007 @end tex
5008
5009 @example
5010 > Digits=100;
5011 100
5012 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5013 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5014 @end example
5015
5016 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5017 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5018
5019 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5020 unevaluated, e.g.
5021 @tex
5022 $\zeta(1)$.
5023 @end tex
5024 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5025 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5026 cancellations of divergencies happen.
5027
5028 Useful publications:
5029
5030 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5031 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5032
5033 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5034 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5035
5036 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5037 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5038
5039 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5040 @c    node-name, next, previous, up
5041 @section Complex Conjugation
5042 @c
5043 @cindex @code{conjugate()}
5044
5045 The method
5046
5047 @example
5048 ex ex::conjugate();
5049 @end example
5050
5051 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5052 conjugation gives the expected results:
5053
5054 @example
5055 @{
5056     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5057     symbol x("x");
5058     realsymbol y("y");
5059                                            
5060     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5061      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5062     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5063      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5064 @}
5065 @end example
5066
5067 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5068 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5069 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5070 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5071 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5072
5073 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5074 @c    node-name, next, previous, up
5075 @section Solving Linear Systems of Equations
5076 @cindex @code{lsolve()}
5077
5078 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5079 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5080 needs to be solved:
5081
5082 @example
5083 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5084 @end example
5085
5086 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5087 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5088 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5089 @code{lst}).
5090
5091 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5092 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5093
5094 @example
5095 @{
5096     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5097     lst eqns, vars;
5098     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5099     vars = x, y;
5100     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5101      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5102 @end example
5103
5104 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5105 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5106 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5107 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5108 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5109 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5110 around that method.
5111
5112
5113 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5114 @c    node-name, next, previous, up
5115 @section Input and output of expressions
5116 @cindex I/O
5117
5118 @subsection Expression output
5119 @cindex printing
5120 @cindex output of expressions
5121
5122 Expressions can simply be written to any stream:
5123
5124 @example
5125 @{
5126     symbol x("x");
5127     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5128     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5129     // ...
5130 @end example
5131
5132 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5133 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5134 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5135 is printed as @samp{x^2}).
5136
5137 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5138 a set of stream manipulators;
5139
5140 @example
5141 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5142 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5143 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5144 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5145 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5146 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5147 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5148 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5149 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5150 @end example
5151
5152 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5153 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5154 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5155
5156 @cindex @code{dflt}
5157 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5158 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5159
5160 @example
5161     // ...
5162     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5163     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5164     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5165     cout << dflt;             // revert to default output format
5166     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5167     // ...
5168 @end example
5169
5170 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5171 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5172
5173 @example
5174     // ...
5175     ostringstream s;
5176     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5177     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5178     // ...
5179 @end example
5180
5181 @cindex @code{csrc}
5182 @cindex @code{csrc_float}
5183 @cindex @code{csrc_double}
5184 @cindex @code{csrc_cl_N}
5185 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5186 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5187 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5188 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5189 classes provided by the CLN library):
5190
5191 @example
5192     // ...
5193     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5194     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5195     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5196     // ...
5197 @end example
5198
5199 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5200 @code{x*x}):
5201
5202 @example
5203 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5204 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5205 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5206 @end example
5207
5208 @cindex @code{tree}
5209 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5210 expression for debugging purposes:
5211
5212 @example
5213     // ...
5214     cout << tree << e;
5215 @}
5216 @end example
5217
5218 produces
5219
5220 @example
5221 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5222     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5223         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5224         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5225     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5226     -----
5227     overall_coeff
5228     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5229     =====
5230 @end example
5231
5232 @cindex @code{latex}
5233 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5234 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5235 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5236 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5237 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5238 constructor.
5239
5240 For example, the code snippet
5241
5242 @example
5243 @{
5244     symbol x("x", "\\circ");
5245     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5246     cout << latex << e << endl;
5247 @}
5248 @end example
5249
5250 will print
5251
5252 @example
5253     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5254 @end example
5255
5256 @cindex @code{index_dimensions}
5257 @cindex @code{no_index_dimensions}
5258 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5259 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5260 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5261 formats:
5262
5263 @example
5264 @{
5265     symbol x("x"), y("y");
5266     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5267     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5268
5269     cout << e << endl;
5270      // prints 'x~mu*y~nu'
5271     cout << index_dimensions << e << endl;
5272      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5273     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5274      // prints 'x~mu*y~nu'
5275 @}
5276 @end example
5277
5278
5279 @cindex Tree traversal
5280 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5281 with other algebra systems or for producing code for different
5282 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5283
5284 @example
5285 static void my_print(const ex & e)
5286 @{
5287     if (is_a<function>(e))
5288         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5289     else
5290         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5291     cout << "(";
5292     size_t n = e.nops();
5293     if (n)
5294         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5295             my_print(e.op(i));
5296             if (i != n-1)
5297                 cout << ",";
5298         @}
5299     else
5300         cout << e;
5301     cout << ")";
5302 @}
5303
5304 int main()
5305 @{
5306     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5307     return 0;
5308 @}
5309 @end example
5310
5311 This will produce
5312
5313 @example
5314 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5315 symbol(y))),numeric(-2)))
5316 @end example
5317
5318 If you need an output format that makes it possible to accurately
5319 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5320 object factory, you should consider storing the expression in an
5321 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5322 See the section on archiving for more information.
5323
5324
5325 @subsection Expression input
5326 @cindex input of expressions
5327
5328 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5329 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5330 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5331 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5332 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5333
5334 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5335 list of symbols to be used:
5336
5337 @example
5338 @{
5339     symbol x("x"), y("y");
5340     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5341 @}
5342 @end example
5343
5344 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5345 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5346 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5347 the list it will throw an exception.
5348
5349 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5350
5351 @example
5352 #include <iostream>
5353 #include <string>
5354 #include <stdexcept>
5355 #include <ginac/ginac.h>
5356 using namespace std;
5357 using namespace GiNaC;
5358
5359 int main()
5360 @{
5361     symbol x("x");
5362     string s;
5363
5364     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5365     getline(cin, s);
5366
5367     try @{
5368         ex e(s, lst(x));
5369         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5370         cout << e.diff(x) << ".\n";
5371     @} catch (exception &p) @{
5372         cerr << p.what() << endl;
5373     @}
5374 @}
5375 @end example
5376
5377
5378 @subsection Archiving
5379 @cindex @code{archive} (class)
5380 @cindex archiving
5381
5382 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5383 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5384 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5385 expression a unique name:
5386
5387 @example
5388 #include <fstream>
5389 using namespace std;
5390 #include <ginac/ginac.h>
5391 using namespace GiNaC;
5392
5393 int main()
5394 @{
5395     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5396
5397     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5398     ex bar = foo + 1;
5399
5400     archive a;
5401     a.archive_ex(foo, "foo");
5402     a.archive_ex(bar, "the second one");
5403     // ...
5404 @end example
5405
5406 The archive can then be written to a file:
5407
5408 @example
5409     // ...
5410     ofstream out("foobar.gar");
5411     out << a;
5412     out.close();
5413     // ...
5414 @end example
5415
5416 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5417 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5418
5419 @cindex @command{viewgar}
5420 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5421 the contents of GiNaC archive files:
5422
5423 @example
5424 $ viewgar foobar.gar
5425 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5426 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5427 @end example
5428
5429 The point of writing archive files is of course that they can later be
5430 read in again:
5431
5432 @example
5433     // ...
5434     archive a2;
5435     ifstream in("foobar.gar");
5436     in >> a2;
5437     // ...
5438 @end example
5439
5440 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5441
5442 @example
5443     // ...
5444     lst syms;
5445     syms = x, y;
5446
5447     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5448     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5449
5450     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5451     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5452     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5453 @}
5454 @end example
5455
5456 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5457 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5458 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5459 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5460 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5461 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5462 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5463 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5464
5465 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5466 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5467 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5468 functions that let you access the stored properties:
5469
5470 @example
5471 static void my_print2(const archive_node & n)
5472 @{
5473     string class_name;
5474     n.find_string("class", class_name);
5475     cout << class_name << "(";
5476
5477     archive_node::propinfovector p;
5478     n.get_properties(p);
5479
5480     size_t num = p.size();
5481     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5482         const string &name = p[i].name;
5483         if (name == "class")
5484             continue;
5485         cout << name << "=";
5486
5487         unsigned count = p[i].count;
5488         if (count > 1)
5489             cout << "@{";
5490
5491         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5492             switch (p[i].type) @{
5493                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5494                     bool x;
5495                     n.find_bool(name, x, j);
5496                     cout << (x ? "true" : "false");
5497                     break;
5498                 @}
5499                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5500                     unsigned x;
5501                     n.find_unsigned(name, x, j);
5502                     cout << x;
5503                     break;
5504                 @}
5505                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5506                     string x;
5507                     n.find_string(name, x, j);
5508                     cout << '\"' << x << '\"';
5509                     break;
5510                 @}
5511                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5512                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5513                     my_print2(x);
5514                     break;
5515                 @}
5516             @}
5517
5518             if (j != count-1)
5519                 cout << ",";
5520         @}
5521
5522         if (count > 1)
5523             cout << "@}";
5524
5525         if (i != num-1)
5526             cout << ",";
5527     @}
5528
5529     cout << ")";
5530 @}
5531
5532 int main()
5533 @{
5534     ex e = pow(2, x) - y;
5535     archive ar(e, "e");
5536     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5537     return 0;
5538 @}
5539 @end example
5540
5541 This will produce:
5542
5543 @example
5544 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5545 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5546 overall_coeff=numeric(number="0"))
5547 @end example
5548
5549 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5550 class may change between GiNaC versions.
5551
5552
5553 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5554 @c    node-name, next, previous, up
5555 @chapter Extending GiNaC
5556
5557 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5558 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
5559 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5560 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5561 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5562 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5563
5564 @menu
5565 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5566 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5567 * Printing::                         Adding new output formats.
5568 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5569 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5570 @end menu
5571
5572
5573 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5574 @c    node-name, next, previous, up
5575 @section What doesn't belong into GiNaC
5576
5577 @cindex @command{ginsh}
5578 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5579 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5580 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5581 language.  There are no loops or conditional expressions in
5582 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5583 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5584 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5585 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5586 the future.
5587
5588 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5589 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5590 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5591 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5592 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5593 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5594 provided by CLN are much better suited.
5595
5596
5597 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5598 @c    node-name, next, previous, up
5599 @section Symbolic functions
5600
5601 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5602 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5603 two preprocessor macros:
5604
5605 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5606 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5607 @example
5608 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
5609 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
5610 @end example
5611
5612 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
5613 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
5614 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
5615 @code{function} object that represents your function.
5616
5617 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
5618 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
5619 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
5620 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
5621 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
5622 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
5623 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
5624 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
5625
5626 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
5627 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
5628 done our best to avoid macros where we can.)
5629
5630 @subsection A minimal example
5631
5632 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
5633 that is not further evaluated:
5634
5635 @example
5636 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
5637
5638 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
5639 @end example
5640
5641 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
5642 in algebraic expressions:
5643
5644 @example
5645 @{
5646     ...
5647     symbol x("x");
5648     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
5649     cout << e << endl;
5650      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
5651     ...
5652 @}
5653 @end example
5654
5655 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
5656 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
5657 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
5658 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
5659
5660 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
5661 example of how to make an "intelligent" function.
5662
5663 @subsection The cosine function
5664
5665 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
5666
5667 @example
5668 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
5669 @end example
5670
5671 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
5672 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
5673 this function in expressions.
5674
5675 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
5676 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
5677
5678 @example
5679 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
5680                        evalf_func(cos_evalf).
5681                        derivative_func(cos_deriv).
5682                        latex_name("\\cos"));
5683 @end example
5684
5685 There are four options defined for the cosine function. One of them
5686 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
5687 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
5688 function are defined.
5689
5690 @cindex @code{hold()}
5691 @cindex evaluation
5692 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
5693 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
5694 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
5695 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
5696 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
5697 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
5698 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
5699 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
5700 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
5701 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
5702 somewhere.
5703
5704 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
5705 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
5706 what is going on):
5707
5708 @example
5709 static ex cos_eval(const ex & x)
5710 @{
5711     if ("x is a multiple of 2*Pi")
5712         return 1;
5713     else if ("x is a multiple of Pi")
5714         return -1;
5715     else if ("x is a multiple of Pi/2")
5716         return 0;
5717     // more rules...
5718
5719     else if ("x has the form 'acos(y)'")
5720         return y;
5721     else if ("x has the form 'asin(y)'")
5722         return sqrt(1-y^2);
5723     // more rules...
5724
5725     else
5726         return cos(x).hold();
5727 @}
5728 @end example
5729
5730 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
5731
5732 @example
5733 @{
5734     ...
5735     e = cos(Pi);
5736      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
5737      // the actual expression
5738     cout << e << endl;
5739      // prints '-1'
5740     ...
5741 @}
5742 @end example
5743
5744 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
5745 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
5746 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
5747 with @code{.hold()}.
5748
5749 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
5750 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
5751 different function:
5752
5753 @example
5754 static ex cos_evalf(const ex & x)
5755 @{
5756     if (is_a<numeric>(x))
5757         return cos(ex_to<numeric>(x));
5758     else
5759         return cos(x).hold();
5760 @}
5761 @end example
5762
5763 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
5764 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
5765 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
5766 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
5767 function would require it in this place.
5768
5769 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
5770 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
5771 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
5772 @code{ex::diff}):
5773
5774 @example
5775 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
5776 @{
5777     return -sin(x);
5778 @}
5779 @end example
5780
5781 @cindex product rule
5782 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
5783 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
5784 case the function has more than one parameter, and its main application
5785 is for correct handling of the chain rule.
5786
5787 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
5788 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
5789 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
5790 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
5791
5792 @example
5793 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
5794                      int order, unsigned options)
5795 @{
5796     // Find the actual expansion point
5797     const ex x_pt = x.subs(rel);
5798
5799     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
5800         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
5801
5802     // On a pole, expand sin()/cos()
5803     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
5804 @}
5805 @end example
5806
5807 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
5808 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
5809
5810 @subsection Function options
5811
5812 GiNaC functions understand several more options which are always
5813 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
5814 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
5815 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
5816 functions without any special options.
5817
5818 @example
5819 eval_func(<C++ function>)
5820 evalf_func(<C++ function>)
5821 derivative_func(<C++ function>)
5822 series_func(<C++ function>)
5823 conjugate_func(<C++ function>)
5824 @end example
5825
5826 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
5827 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
5828 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
5829 @code{diff()} and @code{series()}.
5830
5831 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
5832 automatic evaluation is desired or possible.
5833
5834 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
5835 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
5836 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
5837 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
5838 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
5839 suitable transformation.
5840
5841 @example
5842 latex_name(const string & n)
5843 @end example
5844
5845 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
5846 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
5847
5848 @example
5849 do_not_evalf_params()
5850 @end example
5851
5852 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
5853 function before calling the @code{evalf_func()}.
5854
5855 @example
5856 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
5857 @end example
5858
5859 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
5860 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
5861 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
5862 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
5863 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
5864 commutation properties of their first argument.
5865
5866 @example
5867 set_symmetry(const symmetry & s)
5868 @end example
5869
5870 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
5871 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
5872 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
5873 symmetric functions into a canonical order.
5874
5875 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
5876 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
5877 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
5878 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
5879 with the
5880
5881 @example
5882 print_func<C>(<C++ function>)
5883 @end example
5884
5885 option which is explained in the next section.
5886
5887
5888 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
5889 @c    node-name, next, previous, up
5890 @section GiNaC's expression output system
5891
5892 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
5893 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
5894 is implemented internally, and how to define your own output formats or
5895 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
5896 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
5897 functions.
5898
5899 @cindex @code{print_context} (class)
5900 @cindex @code{print_dflt} (class)
5901 @cindex @code{print_latex} (class)
5902 @cindex @code{print_tree} (class)
5903 @cindex @code{print_csrc} (class)
5904 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
5905 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
5906 header file:
5907
5908 @table @code
5909 @item print_dflt
5910 the default output format
5911 @item print_latex
5912 output in LaTeX mathematical mode
5913 @item print_tree
5914 a dump of the internal expression structure (for debugging)
5915 @item print_csrc
5916 the base class for C source output
5917 @item print_csrc_float
5918 C source output using the @code{float} type
5919 @item print_csrc_double
5920 C source output using the @code{double} type
5921 @item print_csrc_cl_N
5922 C source output using CLN types
5923 @end table
5924
5925 The @code{print_context} base class provides two public data members:
5926
5927 @example
5928 class print_context
5929 @{
5930     ...
5931 public:
5932     std::ostream & s;
5933     unsigned options;
5934 @};
5935 @end example
5936
5937 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
5938 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
5939 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
5940 to print the index dimension which is normally hidden.
5941
5942 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
5943 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
5944 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
5945 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
5946
5947 @cindex @code{print()}
5948 @example
5949 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
5950 @end example
5951
5952 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
5953 top-level algebraic object contained in the expression.
5954
5955 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
5956 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
5957 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
5958 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
5959 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
5960 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
5961 (single) virtual function dispatch.
5962
5963 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
5964 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
5965 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
5966 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
5967 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
5968 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
5969 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
5970 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
5971 object's class name enclosed in square brackets).
5972
5973 You can think of the print methods of all the different classes and output
5974 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
5975 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
5976 classes.
5977
5978 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
5979 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
5980 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
5981 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
5982 methods at run-time).
5983
5984 @subsection Print methods for classes
5985
5986 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
5987 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
5988 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
5989 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
5990 can also be used to override existing methods dynamically.
5991
5992 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
5993 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
5994 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
5995 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
5996 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
5997 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
5998 the class is the one being implemented by
5999 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6000
6001 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6002 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6003 @code{unsigned}.
6004
6005 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6006 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6007 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6008 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6009 private and protected members of @code{T}.
6010
6011 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6012 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6013 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6014 purposes if you write your own output formats.
6015
6016 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6017 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6018 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6019 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6020
6021 @example
6022 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6023                              const print_latex & c,
6024                              unsigned level)
6025 @{
6026     // get the precedence of the 'power' class
6027     unsigned power_prec = p.precedence();
6028
6029     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6030     // we need parentheses around the power
6031     if (level >= power_prec)
6032         c.s << '(';
6033
6034     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6035     // separated by an uparrow
6036     c.s << '@{';
6037     p.op(0).print(c, power_prec);
6038     c.s << "@}\\uparrow@{";
6039     p.op(1).print(c, power_prec);
6040     c.s << '@}';
6041
6042     // don't forget the closing parenthesis
6043     if (level >= power_prec)
6044         c.s << ')';
6045 @}
6046                                                                                 
6047 int main()
6048 @{
6049     // a sample expression
6050     symbol x("x"), y("y");
6051     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6052
6053     // switch to LaTeX mode
6054     cout << latex;
6055
6056     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6057     cout << e << endl;
6058
6059     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6060     // our own one
6061     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6062
6063     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6064     cout << e << endl;
6065 @}
6066 @end example
6067
6068 Some notes:
6069
6070 @itemize
6071
6072 @item
6073 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6074 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6075
6076 @item
6077 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6078 @code{power} objects for the purpose of printing.
6079
6080 @item
6081 The output of products including negative powers as fractions is also
6082 controlled by the @code{mul} class.
6083
6084 @item
6085 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6086 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6087
6088 @end itemize
6089
6090 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6091 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6092 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6093 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6094 sources, find the method that is installed at startup
6095 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6096 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6097
6098 @subsection Print methods for functions
6099
6100 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6101 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6102 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6103 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6104 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6105
6106 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6107
6108 @example
6109 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6110 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6111                                                                                 
6112 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6113 @{
6114     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6115 @}
6116                                                                                 
6117 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6118 @{
6119     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6120 @}
6121                                                                                 
6122 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6123                        evalf_func(abs_evalf).
6124                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6125                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6126                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6127 @end example
6128
6129 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6130 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6131
6132 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6133
6134 @subsection Adding new output formats
6135
6136 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6137 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6138 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6139 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6140 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6141 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6142 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6143 options value.
6144
6145 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6146
6147 @example
6148 class print_myformat : public print_dflt
6149 @{
6150     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6151 public:
6152     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6153      : print_dflt(os, opt) @{@}
6154 @};
6155
6156 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6157
6158 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6159 @end example
6160
6161 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6162 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6163 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6164 format are implemented as print methods, as described above.
6165
6166 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6167 exactly like GiNaC's default output format:
6168
6169 @example
6170 @{
6171     symbol x("x");
6172     ex e = pow(x, 2) + 1;
6173
6174     // this prints "1+x^2"
6175     cout << e << endl;
6176     
6177     // this also prints "1+x^2"
6178     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6179
6180     ...
6181 @}
6182 @end example
6183
6184 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6185 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6186
6187 @example
6188 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6189 // example above for explanations.
6190 void print_power_as_myformat(const power & p,
6191                              const print_myformat & c,
6192                              unsigned level)
6193 @{
6194     unsigned power_prec = p.precedence();
6195     if (level >= power_prec)
6196         c.s << '(';
6197     p.op(0).print(c, power_prec);
6198     c.s << "**";
6199     p.op(1).print(c, power_prec);
6200     if (level >= power_prec)
6201         c.s << ')';
6202 @}
6203
6204 @{
6205     ...
6206     // install a new print method for power objects
6207     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6208
6209     // now this prints "1+x**2"
6210     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6211
6212     // but the default format is still "1+x^2"
6213     cout << e << endl;
6214 @}
6215 @end example
6216
6217
6218 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6219 @c    node-name, next, previous, up
6220 @section Structures
6221
6222 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6223 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6224 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6225 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6226 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6227
6228 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6229 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6230 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6231 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6232 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6233 read both sections because many common concepts and member functions are
6234 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6235 is most suited to your needs.
6236
6237 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6238 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6239 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6240
6241 @subsection Example: scalar products
6242
6243 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6244 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6245 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6246 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6247 product in a C++ @code{struct}:
6248
6249 @example
6250 #include <iostream>
6251 using namespace std;
6252
6253 #include <ginac/ginac.h>
6254 using namespace GiNaC;
6255
6256 struct sprod_s @{
6257     ex left, right;
6258
6259     sprod_s() @{@}
6260     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6261 @};
6262 @end example
6263
6264 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6265 data structure, we need only one line:
6266
6267 @example
6268 typedef structure<sprod_s> sprod;
6269 @end example
6270
6271 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6272 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6273 expressions like any other GiNaC class:
6274
6275 @example
6276 ...
6277     symbol a("a"), b("b");
6278     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6279 ...
6280 @end example
6281
6282 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6283 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6284 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6285 constructed from an @code{sprod_s} object.
6286
6287 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6288 you could define a little wrapper function like this:
6289
6290 @example
6291 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6292 @{
6293     return sprod(sprod_s(left, right));
6294 @}
6295 @end example
6296
6297 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6298 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6299 @code{get_struct()}:
6300
6301 @example
6302 ...
6303     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6304      // -> a
6305     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6306      // -> b
6307 ...
6308 @end example
6309
6310 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6311
6312 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6313 that deal with scalar products, for example:
6314
6315 @example
6316 ex swap_sprod(ex p)
6317 @{
6318     if (is_a<sprod>(p)) @{
6319         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6320         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6321     @} else
6322         return p;
6323 @}
6324
6325 ...
6326     f = swap_sprod(e);
6327      // f is now <b|a>
6328 ...
6329 @end example
6330
6331 @subsection Structure output
6332
6333 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6334 desired, most notably proper output:
6335
6336 @example
6337 ...
6338     cout << e << endl;
6339      // -> [structure object]
6340 ...
6341 @end example
6342
6343 By default, any structure types you define will be printed as
6344 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6345 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6346 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6347 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6348 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6349 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6350
6351 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6352 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6353
6354 @example
6355 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6356 @{
6357     // tree debug output handled by superclass
6358     if (is_a<print_tree>(c))
6359         inherited::print(c, level);
6360
6361     // get the contained sprod_s object
6362     const sprod_s & sp = get_struct();
6363
6364     // print_context::s is a reference to an ostream
6365     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6366 @}
6367 @end example
6368
6369 Now we can print expressions containing scalar products:
6370
6371 @example
6372 ...
6373     cout << e << endl;
6374      // -> <a|b>
6375     cout << swap_sprod(e) << endl;
6376      // -> <b|a>
6377 ...
6378 @end example
6379
6380 @subsection Comparing structures
6381
6382 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6383 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6384 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6385 and undesired behavior:
6386
6387 @example
6388 ...
6389     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6390      // -> 0
6391     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6392      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6393 ...
6394 @end example
6395
6396 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6397 for objects of type @code{sprod_s}:
6398
6399 @example
6400 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6401 @{
6402     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6403 @}
6404
6405 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6406 @{
6407     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6408 @}
6409 @end example
6410
6411 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6412 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6413 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6414 in the implementation of these operators because they would construct
6415 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6416 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6417 decide which one is algebraically 'less').
6418
6419 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6420 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6421
6422 @example
6423 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6424 @end example
6425
6426 @code{sprod} objects then behave as expected:
6427
6428 @example
6429 ...
6430     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6431      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6432     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6433      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6434     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6435      // -> 0
6436     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6437      // -> 2*<a|b>
6438 ...
6439 @end example
6440
6441 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6442 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6443 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6444 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6445 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6446 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6447
6448 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6449 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6450 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6451 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6452 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6453 undefined value) that the @code{T} class might have.
6454
6455 @subsection Subexpressions
6456
6457 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6458 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6459 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6460
6461 @example
6462 size_t sprod::nops() const
6463 @{
6464     return 2;
6465 @}
6466
6467 ex sprod::op(size_t i) const
6468 @{
6469     switch (i) @{
6470     case 0:
6471         return get_struct().left;
6472     case 1:
6473         return get_struct().right;
6474     default:
6475         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
6476     @}
6477 @}
6478 @end example
6479
6480 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
6481 @code{sprod} has two other nice side effects:
6482
6483 @itemize @bullet
6484 @item
6485 @code{has()} works as expected
6486 @item
6487 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
6488 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
6489 @end itemize
6490
6491 @cindex @code{let_op()}
6492 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
6493 allows replacing subexpressions:
6494
6495 @example
6496 ex & sprod::let_op(size_t i)
6497 @{
6498     // every non-const member function must call this
6499     ensure_if_modifiable();
6500
6501     switch (i) @{
6502     case 0:
6503         return get_struct().left;
6504     case 1:
6505         return get_struct().right;
6506     default:
6507         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
6508     @}
6509 @}
6510 @end example
6511
6512 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
6513 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
6514 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
6515 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
6516
6517 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
6518 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
6519 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
6520 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
6521 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
6522 This is left as an exercise for the reader.
6523
6524 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
6525 you can override by specialization to customize the behavior of your
6526 structures. You are referred to the next section for a description of
6527 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
6528 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
6529 @code{structure<T>} template: archiving.
6530
6531 @subsection Archiving structures
6532
6533 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
6534 should first read the next section and then come back here. You're back?
6535 Good.
6536
6537 To implement archiving for structures it is not enough to provide
6538 specializations for the @code{archive()} member function and the
6539 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
6540 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
6541 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
6542 the class of an object is stored as a string, the class name.
6543
6544 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
6545 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
6546 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
6547 need to provide a different name for each by specializing the
6548 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
6549 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
6550
6551 @example
6552 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
6553
6554 void sprod::archive(archive_node & n) const
6555 @{
6556     inherited::archive(n);
6557     n.add_ex("left", get_struct().left);
6558     n.add_ex("right", get_struct().right);
6559 @}
6560
6561 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6562 @{
6563     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
6564     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
6565 @}
6566 @end example
6567
6568 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
6569 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
6570 @code{sprod::unarchive()} function.
6571
6572
6573 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
6574 @c    node-name, next, previous, up
6575 @section Adding classes
6576
6577 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
6578 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
6579 severe of which being that you can't add any new member functions to
6580 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
6581 from scratch.
6582
6583 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
6584 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
6585 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
6586 required member functions are that you have to implement. We only cover the
6587 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
6588 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
6589 representing tensor products is more involved but this section should give
6590 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
6591 classes if you want to implement something more complicated.
6592
6593 @subsection GiNaC's run-time type information system
6594
6595 @cindex hierarchy of classes
6596 @cindex RTTI
6597 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
6598 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
6599 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
6600 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
6601 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
6602 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
6603 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
6604 system that provides this kind of information is called a run-time type
6605 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
6606 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
6607 implements its own, simpler RTTI.
6608
6609 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
6610
6611 @itemize @bullet
6612
6613 @item
6614 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
6615 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
6616 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
6617 classes. They all start with @code{TINFO_}.
6618
6619 @item
6620 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
6621 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
6622 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
6623 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
6624 @file{registrar.h} header file.
6625
6626 @end itemize
6627
6628 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
6629 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
6630 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
6631 macros.
6632
6633 @subsection A minimalistic example
6634
6635 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
6636 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
6637 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
6638 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
6639 for your own classes.
6640
6641 The code snippets given here assume that you have included some header files
6642 as follows:
6643
6644 @example
6645 #include <iostream>
6646 #include <string>   
6647 #include <stdexcept>
6648 using namespace std;
6649
6650 #include <ginac/ginac.h>
6651 using namespace GiNaC;
6652 @end example
6653
6654 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
6655 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
6656 by one of the existing classes but it's better to come up with something
6657 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
6658 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
6659 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
6660
6661 @example
6662 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
6663 @end example
6664
6665 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
6666 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
6667 object from a C or C++ string:
6668
6669 @example
6670 class mystring : public basic
6671 @{
6672     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6673   
6674 public:
6675     mystring(const string &s);
6676     mystring(const char *s);
6677
6678 private:
6679     string str;
6680 @};
6681
6682 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6683 @end example
6684
6685 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
6686 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
6687 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
6688 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
6689 the first line after the opening brace of the class definition. The
6690 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
6691 source (at global scope, of course, not inside a function).
6692
6693 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
6694 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
6695 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
6696 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
6697 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
6698 class with the GiNaC RTTI (there is also a
6699 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
6700 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
6701
6702 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
6703 class:
6704
6705 @itemize
6706
6707 @item
6708 @code{mystring()}, the default constructor.
6709
6710 @item
6711 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
6712 information needed to reconstruct an object of this class inside an
6713 @code{archive_node}.
6714
6715 @item
6716 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
6717 constructor. This constructs an instance of the class from the information
6718 found in an @code{archive_node}.
6719
6720 @item
6721 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
6722 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
6723 constructor.
6724
6725 @item
6726 @cindex @code{compare_same_type()}
6727 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
6728 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
6729 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
6730 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
6731 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
6732 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
6733 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
6734 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
6735 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
6736 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
6737 defined.
6738
6739 @item
6740 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
6741 which are the two constructors we declared.
6742
6743 @end itemize
6744
6745 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
6746
6747 @example
6748 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
6749 @end example
6750
6751 The golden rule is that in all constructors you have to set the
6752 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
6753 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
6754 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
6755 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
6756 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
6757 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
6758 to the right value manually.
6759
6760 In the default constructor you should set all other member variables to
6761 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
6762 member gets set to an empty string automatically).
6763
6764 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
6765 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
6766 is really simple.  First, the archiving function:
6767
6768 @example
6769 void mystring::archive(archive_node &n) const
6770 @{
6771     inherited::archive(n);
6772     n.add_string("string", str);
6773 @}
6774 @end example
6775
6776 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
6777 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
6778 deem necessary for representing the object into the passed
6779 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
6780 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
6781 file.
6782
6783 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
6784 function:
6785
6786 @example
6787 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6788 @{
6789     n.find_string("string", str);
6790 @}
6791 @end example
6792
6793 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
6794 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
6795 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
6796 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
6797
6798 Finally, the unarchiving function:
6799
6800 @example
6801 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
6802 @{
6803     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
6804 @}
6805 @end example
6806
6807 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
6808 four lines into your code literally (replacing the class name, of
6809 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
6810 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
6811 to global objects) you don't need a different implementation. For those
6812 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
6813 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
6814 automatically once it is no longer referenced.
6815
6816 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
6817 the string members:
6818
6819 @example
6820 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
6821 @{
6822     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
6823     int cmpval = str.compare(o.str);
6824     if (cmpval == 0)
6825         return 0;
6826     else if (cmpval < 0)
6827         return -1;
6828     else
6829         return 1;
6830 @}
6831 @end example
6832
6833 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
6834 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
6835 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
6836 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
6837 all relevant member variables.
6838
6839 Now the only thing missing is our two new constructors:
6840
6841 @example
6842 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6843 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6844 @end example
6845
6846 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
6847 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
6848
6849 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
6850 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
6851
6852 @example
6853 ex e = mystring("Hello, world!");
6854 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
6855  // -> 1 (true)
6856
6857 cout << e.bp->class_name() << endl;
6858  // -> mystring
6859 @end example
6860
6861 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
6862
6863 @example
6864 cout << e << endl;
6865  // -> [mystring object]
6866 @end example
6867
6868 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
6869 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
6870 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
6871 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
6872 surrounded by double quotes:
6873
6874 @example
6875 class mystring : public basic
6876 @{
6877     ...
6878 protected:
6879     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
6880     ...
6881 @};
6882
6883 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
6884 @{
6885     // print_context::s is a reference to an ostream
6886     c.s << '\"' << str << '\"';
6887 @}
6888 @end example
6889
6890 The @code{level} argument is only required for container classes to
6891 correctly parenthesize the output.
6892
6893 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
6894 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
6895 replace the line
6896
6897 @example
6898 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6899 @end example
6900
6901 with
6902
6903 @example
6904 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
6905   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
6906 @end example
6907
6908 Let's try again to print the expression:
6909
6910 @example
6911 cout << e << endl;
6912  // -> "Hello, world!"
6913 @end example
6914
6915 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
6916 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
6917 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
6918 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
6919 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
6920 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
6921 way expression output is implemented in GiNaC.
6922
6923 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
6924
6925 @example
6926 e += mystring("GiNaC rulez"); 
6927 cout << e << endl;
6928  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
6929 @end example
6930
6931 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
6932
6933 @example
6934 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
6935 cout << e << endl;
6936  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
6937 @end example
6938
6939 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
6940 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
6941 for your objects.
6942
6943 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
6944
6945 @example
6946 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
6947 cout << e << endl;
6948  // -> "Wow"^2
6949
6950 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
6951 cout << e.expand() << endl;
6952  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
6953 @end example
6954
6955 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
6956 concatenation. You would have to implement this yourself.
6957
6958 @subsection Automatic evaluation
6959
6960 @cindex evaluation
6961 @cindex @code{eval()}
6962 @cindex @code{hold()}
6963 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
6964 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
6965 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
6966 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
6967 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
6968 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
6969
6970 @example
6971 class mystring : public basic
6972 @{
6973     ...
6974 public:
6975     ex eval(int level = 0) const;
6976     ...
6977 @};
6978
6979 ex mystring::eval(int level) const
6980 @{
6981     string new_str;
6982     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
6983         char c = str[i];
6984         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
6985             new_str += tolower(c);
6986         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
6987             new_str += c;
6988     @}
6989
6990     if (new_str.length() == 0)
6991         return 0;
6992     else
6993         return mystring(new_str).hold();
6994 @}
6995 @end example
6996
6997 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
6998 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
6999 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7000 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7001 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7002 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7003 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7004 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7005
7006 Let's confirm that it works:
7007
7008 @example
7009 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7010 cout << e << endl;
7011  // -> "helloworld"
7012
7013 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7014 cout << e << endl;
7015  // -> 3*"wow"
7016 @end example
7017
7018 @subsection Optional member functions
7019
7020 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7021 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7022 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7023
7024 @cindex @code{calchash()}
7025 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7026 @example
7027 unsigned calchash() const;
7028 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7029 @end example
7030
7031 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7032 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7033 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7034 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7035 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7036 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7037
7038 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7039 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7040 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7041 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7042
7043 @subsection Other member functions
7044
7045 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7046 might want to provide:
7047
7048 @example
7049 bool info(unsigned inf) const;
7050 ex evalf(int level = 0) const;
7051 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7052 ex derivative(const symbol & s) const;
7053 @end example
7054
7055 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7056 previous section) you will probably want to override
7057
7058 @cindex @code{let_op()}
7059 @example
7060 size_t nops() cont;
7061 ex op(size_t i) const;
7062 ex & let_op(size_t i);
7063 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7064 ex map(map_function & f) const;
7065 @end example
7066
7067 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7068 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7069 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7070
7071 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7072 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7073 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7074 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7075 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7076 should become a need.
7077
7078 That's it. May the source be with you!
7079
7080
7081 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7082 @c    node-name, next, previous, up
7083 @chapter A Comparison With Other CAS
7084 @cindex advocacy
7085
7086 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7087 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7088 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7089 disadvantages over these systems.
7090
7091 @menu
7092 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7093 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7094 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7095 @end menu
7096
7097 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7098 @c    node-name, next, previous, up
7099 @section Advantages
7100
7101 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7102 Algebra Systems, like 
7103
7104 @itemize @bullet
7105
7106 @item
7107 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7108 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7109 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7110 in common C++, which is standardized.
7111
7112 @cindex STL
7113 @item
7114 structured data types: you can build up structured data types using
7115 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7116 using unnamed lists of lists of lists.
7117
7118 @item
7119 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7120 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7121 nice for novice programmers, but dangerous.
7122     
7123 @item
7124 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7125 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7126 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7127
7128 @item
7129 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7130 separating interface and implementation.
7131
7132 @item
7133 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7134 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7135 C++-compilers for free, too.
7136     
7137 @item
7138 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7139 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7140 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7141 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7142 fix bugs in a traditional system.
7143
7144 @item
7145 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7146 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7147 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7148 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7149 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7150 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7151 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7152 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7153 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7154 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7155 FTP-site.
7156
7157 @item
7158 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7159 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7160 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7161 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7162 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7163 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7164 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7165 system (i.e. @emph{Yacas}).
7166
7167 @item
7168 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7169 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7170 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7171 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7172 speed with other CAS.
7173
7174 @end itemize
7175
7176
7177 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7178 @c    node-name, next, previous, up
7179 @section Disadvantages
7180
7181 Of course it also has some disadvantages:
7182
7183 @itemize @bullet
7184
7185 @item
7186 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7187 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7188 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7189 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7190 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7191 not planned for the near future).
7192
7193 @item
7194 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7195 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7196 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7197 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7198 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7199 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7200 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7201 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7202 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7203 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7204 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7205 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7206 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7207 yet ANSI compliant, support all needed features.
7208     
7209 @end itemize
7210
7211
7212 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7213 @c    node-name, next, previous, up
7214 @section Why C++?
7215
7216 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7217 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7218 possible), separation between interface and implementation is not
7219 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7220 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7221 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7222 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7223 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7224 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7225 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7226 any other programming language.
7227
7228
7229 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7230 @c    node-name, next, previous, up
7231 @appendix Internal Structures
7232
7233 @menu
7234 * Expressions are reference counted::
7235 * Internal representation of products and sums::
7236 @end menu
7237
7238 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7239 @c    node-name, next, previous, up
7240 @appendixsection Expressions are reference counted
7241
7242 @cindex reference counting
7243 @cindex copy-on-write
7244 @cindex garbage collection
7245 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7246 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7247 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7248 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7249 skip the rest of this passage.
7250
7251 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7252 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7253 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7254 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7255 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7256 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7257 of code:
7258
7259 @example
7260 #include <iostream>
7261 #include <ginac/ginac.h>
7262 using namespace std;
7263 using namespace GiNaC;
7264
7265 int main()
7266 @{
7267     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7268     ex e1, e2;
7269
7270     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7271     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7272     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7273     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7274     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7275 @}
7276 @end example
7277
7278 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7279 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7280 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7281 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7282 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7283 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7284 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7285 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7286 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7287 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7288 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7289 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7290 can be:
7291
7292 @example
7293 @{
7294     symbol x("x"), y("y");
7295
7296     ex e1 = x + 3*y;
7297     ex e2 = pow(e1, 3);
7298     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7299     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7300          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7301          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7302 @}
7303 @end example
7304
7305 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7306 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7307 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7308 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7309 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7310 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7311 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7312 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7313 @code{3*e1^2}.
7314
7315 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7316 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7317 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7318 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7319 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7320 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7321 semantics, we recommend you have a look at the
7322 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7323 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7324 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7325
7326
7327 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7328 @c    node-name, next, previous, up
7329 @appendixsection Internal representation of products and sums
7330
7331 @cindex representation
7332 @cindex @code{add}
7333 @cindex @code{mul}
7334 @cindex @code{power}
7335 Although it should be completely transparent for the user of
7336 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7337 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7338 unexpanded symbolic expression 
7339 @tex
7340 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7341 @end tex
7342 @ifnottex
7343 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7344 @end ifnottex
7345 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7346 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7347 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7348 fashion:
7349
7350 @image{repnaive}
7351
7352 @cindex pair-wise representation
7353 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7354 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7355 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7356 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7357 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7358 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7359 becomes much more flat:
7360
7361 @image{reppair}
7362
7363 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7364 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7365 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7366 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7367 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7368 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7369 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7370 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7371 representation, however, since they are still carrying a trivial
7372 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7373 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7374 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7375 representation for
7376 @tex
7377 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7378 @end tex
7379 @ifnottex
7380 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7381 @end ifnottex
7382
7383 @image{repreal}
7384
7385 @cindex radical
7386 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7387 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7388 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7389 same abstract class: the data representation is the same, only the
7390 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7391 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7392 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7393
7394
7395 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7396 @c    node-name, next, previous, up
7397 @appendix Package Tools
7398
7399 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7400 setting the correct command line options for the compiler and linker
7401 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7402
7403 @menu
7404 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7405 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7406 @end menu
7407
7408
7409 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7410 @c    node-name, next, previous, up
7411 @section @command{ginac-config}
7412 @cindex ginac-config
7413
7414 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7415 the compiler and linker command line options required to compile and
7416 link a program with the GiNaC library.
7417
7418 @command{ginac-config} takes the following flags:
7419
7420 @table @samp
7421 @item --version
7422 Prints out the version of GiNaC installed.
7423 @item --cppflags
7424 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7425 @item --libs
7426 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7427 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7428 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7429 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7430 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7431 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7432 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7433 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7434 @end table
7435
7436 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7437 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7438 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7439 example:
7440
7441 @example
7442 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7443 @end example
7444
7445 This command line might expand to (for example):
7446
7447 @example
7448 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7449   -lginac -lcln -lstdc++
7450 @end example
7451
7452 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7453 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7454
7455
7456 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7457 @c    node-name, next, previous, up
7458 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7459 @cindex AM_PATH_GINAC
7460
7461 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7462 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7463
7464 @example
7465 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
7466 @end example
7467
7468 This macro:
7469
7470 @itemize @bullet
7471
7472 @item
7473 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
7474 either found in the user's path, or from the environment variable
7475 @env{GINACLIB_CONFIG}.
7476
7477 @item
7478 Tests the installed libraries to make sure that their version
7479 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
7480 if not specified)
7481
7482 @item
7483 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
7484 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
7485 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
7486 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
7487 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
7488
7489 @item
7490 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
7491 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
7492
7493 @end itemize
7494
7495 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
7496 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
7497 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
7498 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
7499 aclocal the @samp{-I} option when running it.
7500
7501 @menu
7502 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
7503 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
7504 @end menu
7505
7506
7507 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
7508 @c    node-name, next, previous, up
7509 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
7510
7511 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
7512 the configure script.
7513
7514 Notes:
7515
7516 @itemize @bullet
7517
7518 @item
7519 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
7520 to be found by your system's dynamic linker.
7521   
7522 This is generally done by
7523
7524 @display
7525 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
7526 @end display
7527
7528 or by
7529    
7530 @display
7531 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
7532 @end display
7533
7534 or, as a last resort, 
7535  
7536 @display
7537 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
7538 running configure, for instance:
7539
7540 @example
7541 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
7542 @end example
7543 @end display
7544
7545 @item
7546 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
7547 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
7548 name of the executable
7549
7550 @item
7551 If you move the GiNaC package from its installed location,
7552 you will either need to modify @command{ginac-config} script
7553 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
7554
7555 @end itemize
7556
7557 Advanced note:
7558
7559 @itemize @bullet
7560 @item
7561 configure flags
7562   
7563 @example
7564 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
7565 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
7566 @end example
7567
7568 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
7569 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
7570 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
7571 @end itemize
7572
7573
7574 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
7575 @c    node-name, next, previous, up
7576 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
7577
7578 The following shows how to build a simple package using automake
7579 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
7580
7581 @example
7582 #include <iostream>
7583 #include <ginac/ginac.h>
7584
7585 int main()
7586 @{
7587     GiNaC::symbol x("x");
7588     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
7589     std::cout << "Derivative of " << a 
7590               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
7591     return 0;
7592 @}
7593 @end example
7594
7595 You should first read the introductory portions of the automake
7596 Manual, if you are not already familiar with it.
7597
7598 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
7599 configure script:
7600
7601 @example
7602 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
7603 AC_INIT(simple.cpp)
7604 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
7605
7606 AC_PROG_CXX
7607 AC_PROG_INSTALL
7608 AC_LANG_CPLUSPLUS
7609
7610 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
7611   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
7612   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
7613 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
7614
7615 AC_OUTPUT(Makefile)
7616 @end example
7617
7618 The only command in this which is not standard for automake
7619 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
7620
7621 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
7622 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
7623 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
7624 the error message `need to have GiNaC installed'
7625
7626 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
7627
7628 @example
7629 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
7630 bin_PROGRAMS = simple
7631 simple_SOURCES = simple.cpp
7632 @end example
7633
7634 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
7635 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
7636 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
7637 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
7638 want to specify them on a per-program basis: for instance by
7639 adding the lines:
7640
7641 @example
7642 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
7643 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
7644 @end example
7645
7646 to the @file{Makefile.am}.
7647
7648 To try this example out, create a new directory and add the three
7649 files above to it.
7650
7651 Now execute the following commands:
7652
7653 @example
7654 $ automake --add-missing
7655 $ aclocal
7656 $ autoconf
7657 @end example
7658
7659 You now have a package that can be built in the normal fashion
7660
7661 @example
7662 $ ./configure
7663 $ make
7664 $ make install
7665 @end example
7666
7667
7668 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
7669 @c    node-name, next, previous, up
7670 @appendix Bibliography
7671
7672 @itemize @minus{}
7673
7674 @item
7675 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
7676
7677 @item
7678 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
7679
7680 @item
7681 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
7682
7683 @item
7684 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
7685
7686 @item
7687 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
7688 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
7689
7690 @item
7691 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
7692 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
7693 Academic Press, London
7694
7695 @item
7696 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
7697 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
7698
7699 @item
7700 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
7701 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
7702
7703 @item
7704 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
7705 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
7706
7707 @item
7708 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
7709
7710 @end itemize
7711
7712
7713 @node Concept Index, , Bibliography, Top
7714 @c    node-name, next, previous, up
7715 @unnumbered Concept Index
7716
7717 @printindex cp
7718
7719 @bye