]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
[DOC] Additional examples on number conversions.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal structures::          Description of some internal structures.
89 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2019 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lginac -lcln
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{http://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
488 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
489 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
490 continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval() const;
842 ex basic::eval() const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1150 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1151 @cindex @code{get_name()}
1152 @cindex @code{get_TeX_name()}
1153 @example
1154 symbol::get_name() const;
1155 symbol::get_TeX_name() const;
1156 @end example
1157
1158 @cindex @code{subs()}
1159 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1160 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1161 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1162 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1163 (@pxref{Substituting expressions}).
1164
1165 @cindex @code{realsymbol()}
1166 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1167 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1168 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1169 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1170 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1171 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1172 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1173 allows you to specify
1174 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1175 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1176
1177 @cindex @code{possymbol()}
1178 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1179 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1180 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1181
1182
1183 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1184 @c    node-name, next, previous, up
1185 @section Numbers
1186 @cindex @code{numeric} (class)
1187
1188 @cindex GMP
1189 @cindex CLN
1190 @cindex rational
1191 @cindex fraction
1192 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1193 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1194 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1195 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1196 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1197 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1198 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1199 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1200 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1201 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1202 several useful things: First, it introduces the complex number field
1203 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1204 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1205 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1206 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1207 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1208 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1209 calculation of some useful constants.
1210
1211 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1212 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1213 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1214 integers, construction from C-float and construction from a string:
1215
1216 @example
1217 #include <iostream>
1218 #include <ginac/ginac.h>
1219 using namespace GiNaC;
1220
1221 int main()
1222 @{
1223     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1224     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1225     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1226     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1227     // Trott's constant in scientific notation:
1228     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1229     
1230     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1231     ...
1232 @end example
1233
1234 @cindex @code{I}
1235 @cindex complex numbers
1236 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1237 name @code{I}:
1238
1239 @example
1240     ...
1241     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1242     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1243 @}
1244 @end example
1245
1246 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1247 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1248 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1249 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1250 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1251 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1252 also.
1253
1254 @cindex @code{Digits}
1255 @cindex accuracy
1256 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1257 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1258 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1259 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1260 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1261 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1262 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1263 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1264 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1265 digits:
1266
1267 @example
1268 #include <iostream>
1269 #include <ginac/ginac.h>
1270 using namespace std;
1271 using namespace GiNaC;
1272
1273 void foo()
1274 @{
1275     numeric three(3.0), one(1.0);
1276     numeric x = one/three;
1277
1278     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1279     cout << x << endl;
1280     cout << Pi.evalf() << endl;
1281 @}
1282
1283 int main()
1284 @{
1285     foo();
1286     Digits = 60;
1287     foo();
1288     return 0;
1289 @}
1290 @end example
1291
1292 The above example prints the following output to screen:
1293
1294 @example
1295 in 17 digits:
1296 0.33333333333333333334
1297 3.1415926535897932385
1298 in 60 digits:
1299 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1300 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1301 @end example
1302
1303 @cindex rounding
1304 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1305 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1306 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1307 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1308 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1309 architectures with different word size, the above output might even
1310 differ with regard to actually computed digits.
1311
1312 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1313 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1314 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1315
1316 @subsection Tests on numbers
1317
1318 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1319 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1320 kind of information from them like asking whether that number is
1321 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1322 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1323 certain CLN functions.)
1324
1325 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1326 some multiple of its denominator and test what comes out:
1327
1328 @example
1329 #include <iostream>
1330 #include <ginac/ginac.h>
1331 using namespace std;
1332 using namespace GiNaC;
1333
1334 // some very important constants:
1335 const numeric twentyone(21);
1336 const numeric ten(10);
1337 const numeric five(5);
1338
1339 int main()
1340 @{
1341     numeric answer = twentyone;
1342
1343     answer /= five;
1344     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1345     answer *= ten;
1346     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1347 @}
1348 @end example
1349
1350 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1351 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1352 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1353 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1354 the result is automatically converted to a pure integer again.
1355 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1356 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1357 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1358 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1359 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1360 can be applied is listed in the following table.
1361
1362 @cartouche
1363 @multitable @columnfractions .30 .70
1364 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1365 @item @code{.is_zero()}
1366 @tab @dots{}equal to zero
1367 @item @code{.is_positive()}
1368 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1369 @item @code{.is_negative()}
1370 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1371 @item @code{.is_integer()}
1372 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1373 @item @code{.is_pos_integer()}
1374 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1375 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1376 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1377 @item @code{.is_even()}
1378 @tab @dots{}an even integer
1379 @item @code{.is_odd()}
1380 @tab @dots{}an odd integer
1381 @item @code{.is_prime()}
1382 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1383 @item @code{.is_rational()}
1384 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1385 @item @code{.is_real()}
1386 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1387 @item @code{.is_cinteger()}
1388 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1389 @item @code{.is_crational()}
1390 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1391 @end multitable
1392 @end cartouche
1393
1394 @page
1395
1396 @subsection Numeric functions
1397
1398 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1399 evaluated immediately:
1400
1401 @cartouche
1402 @multitable @columnfractions .30 .70
1403 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1404 @item @code{inverse(z)}
1405 @tab returns @math{1/z}
1406 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1407 @item @code{pow(a, b)}
1408 @tab exponentiation @math{a^b}
1409 @item @code{abs(z)}
1410 @tab absolute value
1411 @item @code{real(z)}
1412 @tab real part
1413 @cindex @code{real()}
1414 @item @code{imag(z)}
1415 @tab imaginary part
1416 @cindex @code{imag()}
1417 @item @code{csgn(z)}
1418 @tab complex sign (returns an @code{int})
1419 @item @code{step(x)}
1420 @tab step function (returns an @code{numeric})
1421 @item @code{numer(z)}
1422 @tab numerator of rational or complex rational number
1423 @item @code{denom(z)}
1424 @tab denominator of rational or complex rational number
1425 @item @code{sqrt(z)}
1426 @tab square root
1427 @item @code{isqrt(n)}
1428 @tab integer square root
1429 @cindex @code{isqrt()}
1430 @item @code{sin(z)}
1431 @tab sine
1432 @item @code{cos(z)}
1433 @tab cosine
1434 @item @code{tan(z)}
1435 @tab tangent
1436 @item @code{asin(z)}
1437 @tab inverse sine
1438 @item @code{acos(z)}
1439 @tab inverse cosine
1440 @item @code{atan(z)}
1441 @tab inverse tangent
1442 @item @code{atan(y, x)}
1443 @tab inverse tangent with two arguments
1444 @item @code{sinh(z)}
1445 @tab hyperbolic sine
1446 @item @code{cosh(z)}
1447 @tab hyperbolic cosine
1448 @item @code{tanh(z)}
1449 @tab hyperbolic tangent
1450 @item @code{asinh(z)}
1451 @tab inverse hyperbolic sine
1452 @item @code{acosh(z)}
1453 @tab inverse hyperbolic cosine
1454 @item @code{atanh(z)}
1455 @tab inverse hyperbolic tangent
1456 @item @code{exp(z)}
1457 @tab exponential function
1458 @item @code{log(z)}
1459 @tab natural logarithm
1460 @item @code{Li2(z)}
1461 @tab dilogarithm
1462 @item @code{zeta(z)}
1463 @tab Riemann's zeta function
1464 @item @code{tgamma(z)}
1465 @tab gamma function
1466 @item @code{lgamma(z)}
1467 @tab logarithm of gamma function
1468 @item @code{psi(z)}
1469 @tab psi (digamma) function
1470 @item @code{psi(n, z)}
1471 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1472 @item @code{factorial(n)}
1473 @tab factorial function @math{n!}
1474 @item @code{doublefactorial(n)}
1475 @tab double factorial function @math{n!!}
1476 @cindex @code{doublefactorial()}
1477 @item @code{binomial(n, k)}
1478 @tab binomial coefficients
1479 @item @code{bernoulli(n)}
1480 @tab Bernoulli numbers
1481 @cindex @code{bernoulli()}
1482 @item @code{fibonacci(n)}
1483 @tab Fibonacci numbers
1484 @cindex @code{fibonacci()}
1485 @item @code{mod(a, b)}
1486 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1487 @cindex @code{mod()}
1488 @item @code{smod(a, b)}
1489 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1490 @cindex @code{smod()}
1491 @item @code{irem(a, b)}
1492 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1493 @cindex @code{irem()}
1494 @item @code{irem(a, b, q)}
1495 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1496 @item @code{iquo(a, b)}
1497 @tab integer quotient
1498 @cindex @code{iquo()}
1499 @item @code{iquo(a, b, r)}
1500 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1501 @item @code{gcd(a, b)}
1502 @tab greatest common divisor
1503 @item @code{lcm(a, b)}
1504 @tab least common multiple
1505 @end multitable
1506 @end cartouche
1507
1508 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1509 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1510 as polynomial algorithms.
1511
1512 @subsection Converting numbers
1513
1514 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1515 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1516 class provides a couple of methods for this purpose:
1517
1518 @cindex @code{to_int()}
1519 @cindex @code{to_long()}
1520 @cindex @code{to_double()}
1521 @cindex @code{to_cl_N()}
1522 @example
1523 int numeric::to_int() const;
1524 long numeric::to_long() const;
1525 double numeric::to_double() const;
1526 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1527 @end example
1528
1529 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1530 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1531 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1532 rational number will return a floating-point approximation. Both
1533 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1534 part of complex numbers.
1535
1536 Note the signature of the above methods, you may need to apply a type
1537 conversion and call @code{evalf()} as shown in the following example:
1538 @example
1539     ...
1540     ex e1 = 1, e2 = sin(Pi/5);
1541     cout << ex_to<numeric>(e1).to_int() << endl
1542          << ex_to<numeric>(e2.evalf()).to_double() << endl;
1543     ...
1544 @end example
1545
1546 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1547 @c    node-name, next, previous, up
1548 @section Constants
1549 @cindex @code{constant} (class)
1550
1551 @cindex @code{Pi}
1552 @cindex @code{Catalan}
1553 @cindex @code{Euler}
1554 @cindex @code{evalf()}
1555 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1556 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1557
1558 The predefined known constants are:
1559
1560 @cartouche
1561 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1562 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1563 @item @code{Pi}
1564 @tab Archimedes' constant
1565 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1566 @item @code{Catalan}
1567 @tab Catalan's constant
1568 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1569 @item @code{Euler}
1570 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1571 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1572 @end multitable
1573 @end cartouche
1574
1575
1576 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1577 @c    node-name, next, previous, up
1578 @section Sums, products and powers
1579 @cindex polynomial
1580 @cindex @code{add}
1581 @cindex @code{mul}
1582 @cindex @code{power}
1583
1584 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1585 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1586 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1587 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1588 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1589 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1590 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1591 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1592
1593 @example
1594     ...
1595     symbol a("a"), b("b");
1596     ex MyTerm = 1+a*b;
1597     ...
1598 @end example
1599
1600 @cindex @code{pow()}
1601 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1602 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1603 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1604 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1605 have several counterintuitive and undesired effects:
1606
1607 @itemize @bullet
1608 @item
1609 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1610 @item
1611 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1612 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1613 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1614 @item
1615 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1616 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1617 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1618 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1619 has requested @code{2^3}.)
1620 @end itemize
1621
1622 @cindex @command{ginsh}
1623 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1624 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1625 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1626 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1627 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1628 not exist at all in C++).
1629
1630 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1631 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1632 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1633 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1634 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1635 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1636 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1637 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1638 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1639 @code{x} negative.
1640
1641 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1642 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1643 and safe simplifications are carried out like transforming
1644 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1645
1646
1647 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1648 @c    node-name, next, previous, up
1649 @section Lists of expressions
1650 @cindex @code{lst} (class)
1651 @cindex lists
1652 @cindex @code{nops()}
1653 @cindex @code{op()}
1654 @cindex @code{append()}
1655 @cindex @code{prepend()}
1656 @cindex @code{remove_first()}
1657 @cindex @code{remove_last()}
1658 @cindex @code{remove_all()}
1659
1660 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1661 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1662 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1663 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1664 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1665
1666 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1667
1668 @example
1669 @{
1670     symbol x("x"), y("y");
1671     lst l = @{x, 2, y, x+y@};
1672     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1673     // in that order
1674     ...
1675 @end example
1676
1677 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1678 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1679 individual elements:
1680
1681 @example
1682     ...
1683     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1684     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1685     ...
1686 @end example
1687
1688 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1689 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1690 sequential access to the elements of a list is possible with the
1691 iterator types provided by the @code{lst} class:
1692
1693 @example
1694 typedef ... lst::const_iterator;
1695 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1696 lst::const_iterator lst::begin() const;
1697 lst::const_iterator lst::end() const;
1698 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1699 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1700 @end example
1701
1702 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     // O(N)
1707     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1708         cout << *i << endl;
1709     ...
1710 @end example
1711
1712 which is one order faster than
1713
1714 @example
1715     ...
1716     // O(N^2)
1717     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1718         cout << l.op(i) << endl;
1719     ...
1720 @end example
1721
1722 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1723 the C++ standard library:
1724
1725 @example
1726     ...
1727     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1728     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1729
1730     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1731     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1732     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1733     ...
1734 @end example
1735
1736 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1737 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1738
1739 @example
1740     ...
1741     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1742     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1743     ...
1744 @end example
1745
1746 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1747 and @code{prepend()} methods:
1748
1749 @example
1750     ...
1751     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1752     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     ...
1754 @end example
1755
1756 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1757 and @code{remove_last()}:
1758
1759 @example
1760     ...
1761     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1762     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1767
1768 @example
1769     ...
1770     l.remove_all();     // l is now empty
1771     ...
1772 @end example
1773
1774 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1775
1776 @example
1777     ...
1778     lst l1 = @{x, 2, y, x+y@};
1779     lst l2 = @{2, x+y, x, y@};
1780     l1.sort();
1781     l2.sort();
1782     // l1 and l2 are now equal
1783     ...
1784 @end example
1785
1786 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1787 elements with @code{unique()}:
1788
1789 @example
1790     ...
1791     lst l3 = @{x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x@};
1792     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1793 @}
1794 @end example
1795
1796
1797 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1798 @c    node-name, next, previous, up
1799 @section Mathematical functions
1800 @cindex @code{function} (class)
1801 @cindex trigonometric function
1802 @cindex hyperbolic function
1803
1804 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1805 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1806 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1807
1808 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1809 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1810 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1811 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1812 the next example, showing how a function returns itself twice and
1813 finally an expression that may be really useful:
1814
1815 @cindex Gamma function
1816 @cindex @code{subs()}
1817 @example
1818     ...
1819     symbol x("x"), y("y");    
1820     ex foo = x+y/2;
1821     cout << tgamma(foo) << endl;
1822      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1823     ex bar = foo.subs(y==1);
1824     cout << tgamma(bar) << endl;
1825      // -> tgamma(x+1/2)
1826     ex foobar = bar.subs(x==7);
1827     cout << tgamma(foobar) << endl;
1828      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1829     ...
1830 @end example
1831
1832 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1833 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1834 this.
1835
1836 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1837 functions, where the argument list is templated.  This means that
1838 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1839 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1840 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1841 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1842 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1843 point number of class @code{numeric} you should call
1844 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1845 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1846 wrapped inside an @code{ex}.
1847
1848
1849 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1850 @c    node-name, next, previous, up
1851 @section Relations
1852 @cindex @code{relational} (class)
1853
1854 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1855 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1856 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1857 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1858 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1859 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1860
1861 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1862 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1863 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1864 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1865 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1866 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1867 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1868 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1869 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1870 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1871 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1872 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1873 @code{expand()} must be called explicitly.
1874
1875 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1876 @c    node-name, next, previous, up
1877 @section Integrals
1878 @cindex @code{integral} (class)
1879
1880 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1881 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1882 1, you would write this as
1883 @example
1884 integral(x, 0, 1, x*x)
1885 @end example
1886 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1887 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1888 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1889 can be evaluated symbolically by calling the
1890 @example
1891 .eval_integ()
1892 @end example
1893 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1894 @example
1895 .evalf()
1896 @end example
1897 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1898 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1899 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1900 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1901 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1902 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1903 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1904 integrals is determined by the static member variable
1905 @example
1906 ex integral::relative_integration_error
1907 @end example
1908 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1909 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1910 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1911 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1912 variable
1913 @example
1914 int integral::max_integration_level
1915 @end example
1916 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1917 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1918 evaluation, is also available as
1919 @example
1920 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1921                    const ex & error)
1922 @end example
1923 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1924 last parameter of the function is optional and defaults to the
1925 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1926 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1927 a lookup table is used.
1928
1929 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1930 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1931 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1932 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1933 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1934 with respect to the integration variable.
1935
1936 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1937 @c    node-name, next, previous, up
1938 @section Matrices
1939 @cindex @code{matrix} (class)
1940
1941 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1942 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1943 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1944 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1945
1946 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1947 elements. The constructor
1948
1949 @example
1950 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1951 @end example
1952
1953 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1954 set to zero.
1955
1956 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1957 initializer lists, all of the same size:
1958
1959 @example
1960 @{
1961     matrix m = @{@{1, -a@},
1962                 @{a,  1@}@};
1963 @}
1964 @end example
1965
1966 You can also specify the elements as a (flat) list with
1967
1968 @example
1969 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1970 @end example
1971
1972 The function
1973
1974 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1975 @example
1976 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1977 @end example
1978
1979 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1980
1981 There is also a set of functions for creating some special types of
1982 matrices:
1983
1984 @cindex @code{diag_matrix()}
1985 @cindex @code{unit_matrix()}
1986 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1987 @example
1988 ex diag_matrix(const lst & l);
1989 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
1990 ex unit_matrix(unsigned x);
1991 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1992 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1993 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1994                    const string & tex_base_name);
1995 @end example
1996
1997 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
1998 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1999 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
2000 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
2001 and the position of each element in the matrix.
2002
2003 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
2004 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
2005 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
2006 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
2007 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
2008 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2009
2010 @cindex @code{sub_matrix()}
2011 @cindex @code{reduced_matrix()}
2012 @example
2013 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2014 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2015 @end example
2016
2017 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2018 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2019 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2020 that specify which row and column to remove:
2021
2022 @example
2023 @{
2024     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2025                 @{21, 22, 23@},
2026                 @{31, 32, 33@}@};
2027     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2028     // -> [[11,13],[31,33]]
2029     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2030     // -> [[22,23],[32,33]]
2031 @}
2032 @end example
2033
2034 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2035 operator:
2036
2037 @example
2038 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2039 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2040 @end example
2041
2042 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2043 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2044 @samp{[]} is not available.
2045
2046 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2047
2048 @example
2049 @{
2050     symbol a("a"), b("b");
2051
2052     matrix M = @{@{a, 0@},
2053                 @{0, b@}@};
2054     cout << M << endl;
2055      // -> [[a,0],[0,b]]
2056
2057     matrix M2(2, 2);
2058     M2(0, 0) = a;
2059     M2(1, 1) = b;
2060     cout << M2 << endl;
2061      // -> [[a,0],[0,b]]
2062
2063     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2064      // -> [[a,0],[0,b]]
2065
2066     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2067      // -> [[a,0],[0,b]]
2068
2069     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2070      // -> [[a,0],[0,b]]
2071
2072     cout << unit_matrix(3) << endl;
2073      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2074
2075     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2076      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2077 @}
2078 @end example
2079
2080 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2081 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2082 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2083 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2084 expression is zero or a zero matrix.
2085
2086 @cindex @code{transpose()}
2087 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2088 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2089
2090 @example
2091 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2092 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2093 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2094 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2095 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2096 matrix matrix::transpose() const;
2097 @end example
2098
2099 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2100 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2101 and @math{C}:
2102
2103 @example
2104 @{
2105     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2106                 @{ 3, 4@}@};
2107     matrix B = @{@{-1, 0@},
2108                 @{ 2, 1@}@};
2109     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2110                 @{ 2, 1@}@};
2111
2112     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2113     cout << result << endl;
2114      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2115     ...
2116 @}
2117 @end example
2118
2119 @cindex @code{evalm()}
2120 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2121 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2122 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2123 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2124 method
2125
2126 @example
2127 ex ex::evalm() const;
2128 @end example
2129
2130 to obtain the result:
2131
2132 @example
2133 @{
2134     ...
2135     ex e = A*B - 2*C;
2136     cout << e << endl;
2137      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2138     cout << e.evalm() << endl;
2139      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2140     ...
2141 @}
2142 @end example
2143
2144 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2145 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2146 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2147 dealing with non-commutative expressions.
2148
2149 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2150 to perform the arithmetic:
2151
2152 @example
2153 @{
2154     ...
2155     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2156     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2157     cout << e << endl;
2158      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2159     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2160      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2161 @}
2162 @end example
2163
2164 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2165 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2166 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2167 more information about using matrices with indices, and about indices in
2168 general.
2169
2170 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2171 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2172
2173 @cindex @code{determinant()}
2174 @cindex @code{trace()}
2175 @cindex @code{charpoly()}
2176 @cindex @code{rank()}
2177 @example
2178 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2179 ex matrix::trace() const;
2180 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2181 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2182 @end example
2183
2184 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2185 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2186 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2187 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2188 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2189 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2190 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2191 to give the result most quickly.
2192
2193 @cindex @code{solve()}
2194 Linear systems can be solved with:
2195
2196 @example
2197 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2198                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2199 @end example
2200
2201 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2202 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2203 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2204 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2205 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2206 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2207 overdetermined, an exception is thrown.
2208
2209 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2210 To invert a matrix, use the method:
2211
2212 @example
2213 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2214 @end example
2215
2216 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2217 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2218
2219 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2220 @c    node-name, next, previous, up
2221 @section Indexed objects
2222
2223 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2224 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2225 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2226 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2227
2228 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2229 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2230 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2231 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2232
2233 @cindex @code{idx} (class)
2234 @cindex @code{indexed} (class)
2235 @subsection Indexed quantities and their indices
2236
2237 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2238 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2239
2240 @itemize @bullet
2241
2242 @cindex contravariant
2243 @cindex covariant
2244 @cindex variance
2245 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2246 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2247 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2248 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2249 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2250 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2251
2252 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2253 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2254 one or more indices.
2255
2256 @end itemize
2257
2258 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2259 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2260 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2261 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2262 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2263 not visible in the output.
2264
2265 A simple example shall illustrate the concepts:
2266
2267 @example
2268 #include <iostream>
2269 #include <ginac/ginac.h>
2270 using namespace std;
2271 using namespace GiNaC;
2272
2273 int main()
2274 @{
2275     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2276     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2277
2278     symbol A("A");
2279     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2280      // -> A.i.j
2281     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2282      // -> A.i[3].j[3]
2283     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2284     ...
2285 @end example
2286
2287 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2288 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2289 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2290 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2291 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2292 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2293 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2294 @code{j}.
2295
2296 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2297 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2298 as shown above.
2299
2300 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2301 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2302 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2303 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2304 correct and will raise an exception:
2305
2306 @example
2307 symbol i("i"), j("j");
2308 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2309 @end example
2310
2311 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2312 be numeric, and index dimensions symbolic:
2313
2314 @example
2315     ...
2316     symbol B("B"), dim("dim");
2317     cout << 4 * indexed(A, i)
2318           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2319      // -> B.j.2.i+4*A.i
2320     ...
2321 @end example
2322
2323 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2324 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2325 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2326 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2327 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2328
2329 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2330 arbitrary expressions:
2331
2332 @example
2333     ...
2334     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2335      // -> (B+A).(1+2*i)
2336     ...
2337 @end example
2338
2339 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2340 get an error message from this but you will probably not be able to do
2341 anything useful with it.
2342
2343 @cindex @code{get_value()}
2344 @cindex @code{get_dim()}
2345 The methods
2346
2347 @example
2348 ex idx::get_value();
2349 ex idx::get_dim();
2350 @end example
2351
2352 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2353 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2354 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2355 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2356
2357 There are also the methods
2358
2359 @example
2360 bool idx::is_numeric();
2361 bool idx::is_symbolic();
2362 bool idx::is_dim_numeric();
2363 bool idx::is_dim_symbolic();
2364 @end example
2365
2366 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2367 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2368 about expressions}) returns information about the index value.
2369
2370 @cindex @code{varidx} (class)
2371 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2372
2373 @example
2374     ...
2375     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2376     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2377     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2378
2379     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2380      // -> A~mu~nu
2381     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2382      // -> A.mu~nu
2383     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2384      // -> A.mu~nu
2385     ...
2386 @end example
2387
2388 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2389 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2390 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2391 constructor. The two methods
2392
2393 @example
2394 bool varidx::is_covariant();
2395 bool varidx::is_contravariant();
2396 @end example
2397
2398 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2399 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2400 method
2401
2402 @example
2403 ex varidx::toggle_variance();
2404 @end example
2405
2406 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2407 variance. By using it you only have to define the index once.
2408
2409 @cindex @code{spinidx} (class)
2410 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2411 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2412
2413 @example
2414     ...
2415     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2416     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2417                                             // contravariant, undotted
2418     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2419     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2420     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2421
2422     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2423      // -> K~C~D
2424     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2425      // -> K.C~*D
2426     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2427      // -> K.*D~D
2428     ...
2429 @end example
2430
2431 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2432 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2433 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2434 methods
2435
2436 @example
2437 bool spinidx::is_dotted();
2438 bool spinidx::is_undotted();
2439 @end example
2440
2441 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2442 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2443 Finally, the two methods
2444
2445 @example
2446 ex spinidx::toggle_dot();
2447 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2448 @end example
2449
2450 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2451 and the same or opposite variance.
2452
2453 @subsection Substituting indices
2454
2455 @cindex @code{subs()}
2456 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2457 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2458 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2459 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2460
2461 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2462 by another index or expression:
2463
2464 @example
2465     ...
2466     ex e = indexed(A, mu_co);
2467     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2468      // -> A.mu becomes A~nu
2469     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2470      // -> A.mu becomes A~0
2471     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2472      // -> A.mu becomes A.0
2473     ...
2474 @end example
2475
2476 The third example shows that trying to replace an index with something that
2477 is not an index will substitute the index value instead.
2478
2479 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2480 another expression:
2481
2482 @example
2483     ...
2484     ex e = indexed(A, mu_co);
2485     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2486      // -> A.mu becomes A.nu
2487     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2488      // -> A.mu becomes A.0
2489     ...
2490 @end example
2491
2492 As you see, with the second method only the value of the index will get
2493 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2494 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2495 whole index by another one with the new dimension.
2496
2497 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2498 expected:
2499
2500 @example
2501     ...
2502     ex e = indexed(A, mu_co);
2503     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2504      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2505     ...
2506 @end example
2507
2508 @subsection Symmetries
2509 @cindex @code{symmetry} (class)
2510 @cindex @code{sy_none()}
2511 @cindex @code{sy_symm()}
2512 @cindex @code{sy_anti()}
2513 @cindex @code{sy_cycl()}
2514
2515 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2516 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2517 that is constructed with the helper functions
2518
2519 @example
2520 symmetry sy_none(...);
2521 symmetry sy_symm(...);
2522 symmetry sy_anti(...);
2523 symmetry sy_cycl(...);
2524 @end example
2525
2526 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2527 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2528 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2529 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2530 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2531 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2532 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2533 all indices.
2534
2535 Here are some examples of symmetry definitions:
2536
2537 @example
2538     ...
2539     // No symmetry:
2540     e = indexed(A, i, j);
2541     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2542     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2543
2544     // Symmetric in all three indices:
2545     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2546     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2547     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2548                                                // different canonical order
2549
2550     // Symmetric in the first two indices only:
2551     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2552     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2553
2554     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2555     // be contiguous):
2556     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2557     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2558
2559     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2560     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2561     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2562     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2563
2564     // Cyclic symmetry in all three indices:
2565     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2566     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2567
2568     // The following examples are invalid constructions that will throw
2569     // an exception at run time.
2570
2571     // An index may not appear multiple times:
2572     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2573     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2574
2575     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2576     // same number of indices:
2577     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2578
2579     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2580     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2581     ...
2582 @end example
2583
2584 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2585 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2586 full symmetry in the first six indices you would write
2587 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2588
2589 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2590 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2591
2592 @example
2593     ...
2594     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2595           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2596      // -> 2*A.j.i
2597     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2598           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2599      // -> 0
2600     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2601           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2602      // -> 0
2603     ...
2604 @end example
2605
2606 @cindex @code{get_free_indices()}
2607 @cindex dummy index
2608 @subsection Dummy indices
2609
2610 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2611 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2612 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2613 dummy nor free indices.
2614
2615 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2616 class and their value must be the same single symbol (an index like
2617 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2618 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2619 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2620
2621 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2622 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2623 of a sum are consistent:
2624
2625 @example
2626 @{
2627     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2628
2629     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2630     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2631
2632     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2634      // -> (.i,.k)
2635      // 'j' and 'l' are dummy indices
2636
2637     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2638     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2639
2640     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2641       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2642     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2643      // -> (~mu,~rho)
2644      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2645
2646     e = indexed(A, mu, mu);
2647     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2648      // -> (~mu)
2649      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2650      // variance
2651
2652     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2653     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2654      // this will throw an exception:
2655      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2656 @}
2657 @end example
2658
2659 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2660 A dummy index summation like 
2661 @tex
2662 $ a_i b^i$
2663 @end tex
2664 @ifnottex
2665 a.i b~i
2666 @end ifnottex
2667 can be expanded for indices with numeric
2668 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2669 @tex
2670 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2671 @end tex
2672 @ifnottex
2673 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2674 @end ifnottex
2675 This is performed by the function
2676
2677 @example
2678     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2679 @end example
2680
2681 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2682 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2683 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2684 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2685 @tex
2686 $ a_i b^i$
2687 @end tex
2688 @ifnottex
2689 a.i b~i
2690 @end ifnottex
2691 will be expanded to
2692 @tex
2693 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2694 @end tex
2695 @ifnottex
2696 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2697 @end ifnottex
2698
2699
2700 @cindex @code{simplify_indexed()}
2701 @subsection Simplifying indexed expressions
2702
2703 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2704 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2705 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2706 there is the method
2707
2708 @example
2709 ex ex::simplify_indexed();
2710 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2711 @end example
2712
2713 that performs some more expensive operations:
2714
2715 @itemize @bullet
2716 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2717   @code{get_free_indices()} does
2718 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2719   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2720 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2721   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2722   next section)
2723 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2724   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2725 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2726   of two tensors with a user-defined value
2727 @end itemize
2728
2729 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2730 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2731 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2732
2733 @example
2734 @{
2735     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2736     idx i(i_sym, 3);
2737
2738     scalar_products sp;
2739     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2740     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2741     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2742
2743     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2744     cout << e << endl;
2745      // -> (B+A).i*(A+C).i
2746
2747     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2748          << endl;
2749      // -> 4+C.i*B.i
2750 @}
2751 @end example
2752
2753 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2754 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2755 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2756 taken, and the expression to replace it with.
2757
2758 @cindex @code{expand()}
2759 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2760 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2761 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2762
2763 @cindex @code{tensor} (class)
2764 @subsection Predefined tensors
2765
2766 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2767 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2768 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2769 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2770 indices are specified).
2771
2772 @cindex @code{delta_tensor()}
2773 @subsubsection Delta tensor
2774
2775 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2776 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2777 @code{delta_tensor()}:
2778
2779 @example
2780 @{
2781     symbol A("A"), B("B");
2782
2783     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2784         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2785
2786     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2787          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2788     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2789      // -> B.i.j*A.i.j
2790
2791     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2792      // -> 3
2793 @}
2794 @end example
2795
2796 @cindex @code{metric_tensor()}
2797 @subsubsection General metric tensor
2798
2799 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2800 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2801 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2802 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2803
2804 @example
2805 @{
2806     symbol A("A");
2807
2808     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2809
2810     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2811     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2812      // -> A~mu~rho
2813
2814     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2815     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2816      // -> g~mu~rho
2817
2818     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2819       * metric_tensor(nu, rho);
2820     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2821      // -> delta.mu~rho
2822
2823     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2824       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2825         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2826     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2827      // -> 4+A.rho~rho
2828 @}
2829 @end example
2830
2831 @cindex @code{lorentz_g()}
2832 @subsubsection Minkowski metric tensor
2833
2834 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2835 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2836 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2837 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2838 @samp{eta}):
2839
2840 @example
2841 @{
2842     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2843
2844     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2845       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2846     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2847      // -> 1
2848
2849     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2850       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> -1
2853 @}
2854 @end example
2855
2856 @cindex @code{spinor_metric()}
2857 @subsubsection Spinor metric tensor
2858
2859 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2860 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2861 It is output as @samp{eps}:
2862
2863 @example
2864 @{
2865     symbol psi("psi");
2866
2867     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2868     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2869
2870     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2871     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2872      // -> psi~A
2873
2874     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2875     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2876      // -> -psi~B
2877
2878     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2879     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2880      // -> -psi.A
2881
2882     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2883     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2884      // -> psi.B
2885
2886     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2887     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2888      // -> 2
2889
2890     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2891     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2892      // -> -delta.A~C
2893 @}
2894 @end example
2895
2896 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2897
2898 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2899 @cindex @code{lorentz_eps()}
2900 @subsubsection Epsilon tensor
2901
2902 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2903 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2904 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2905 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2906 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2907 @samp{eps}.
2908
2909 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2910 dimensions:
2911
2912 @example
2913 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2914 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2915 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2916                bool pos_sig = false);
2917 @end example
2918
2919 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2920 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2921 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2922 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2923 tensor):
2924
2925 @example
2926 @{
2927     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2928            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2929     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2930         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2931     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2932      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2933
2934     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2935     symbol A("A"), B("B");
2936     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2937     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2938      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2939     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2940     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2941      // -> 0
2942 @}
2943 @end example
2944
2945 @subsection Linear algebra
2946
2947 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2948 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2949 and scalar products):
2950
2951 @example
2952 @{
2953     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2954     symbol x("x"), y("y");
2955
2956     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2957     matrix A = @{@{1, 2@},
2958                 @{3, 4@}@};
2959     matrix X = @{@{x, y@}@};
2960
2961     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2962      // -> 5
2963
2964     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2965     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2966      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2967
2968     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2969     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2970      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2971 @}
2972 @end example
2973
2974 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2975 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2976 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2977
2978 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2979 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2980 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2981 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2982
2983 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2984 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2985 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2986 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2987 of the metric tensor.
2988
2989
2990 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2991 @c    node-name, next, previous, up
2992 @section Non-commutative objects
2993
2994 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2995 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2996 physics:
2997
2998 @itemize
2999 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
3000 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
3001 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
3002 @end itemize
3003
3004 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
3005 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
3006 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
3007 @ref{Matrices}.
3008
3009 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3010 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3011 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3012 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3013 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3014 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3015 by their class. Consider this example:
3016
3017 @example
3018     ...
3019     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3020     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3021     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3022     cout << e << endl;
3023      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3024     ...
3025 @end example
3026
3027 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3028 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3029 together while preserving the order of factors within each class (because
3030 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3031 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3032 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3033 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3034
3035 @cindex @code{ncmul} (class)
3036 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3037 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3038 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3039 though.
3040
3041 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3042 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3043 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3044 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3045 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3046 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3047 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3048 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3049 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3050 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3051
3052 @cindex @code{return_type()}
3053 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3054 Information about the commutativity of an object or expression can be
3055 obtained with the two member functions
3056
3057 @example
3058 unsigned      ex::return_type() const;
3059 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3060 @end example
3061
3062 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3063 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3064 expressions in GiNaC:
3065
3066 @itemize @bullet
3067 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3068   classes are of this kind.
3069 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3070   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3071   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3072   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3073   class.
3074 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3075   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3076   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3077   @code{noncommutative_composite} expressions.
3078 @end itemize
3079
3080 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3081 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3082 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3083 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3084 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3085 therefore may not commute.
3086
3087 Here are a couple of examples:
3088
3089 @cartouche
3090 @multitable @columnfractions .6 .4
3091 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3092 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3093 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3094 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3095 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3096 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3097 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3098 @end multitable
3099 @end cartouche
3100
3101 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3102 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3103 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3104 non-commutative expressions).
3105
3106
3107 @cindex @code{clifford} (class)
3108 @subsection Clifford algebra
3109
3110
3111 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3112 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3113 mathematical). 
3114
3115 @cindex @code{dirac_gamma()}
3116 @subsubsection Dirac gamma matrices
3117 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3118 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3119 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3120 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3121 constructed by the function
3122
3123 @example
3124 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3125 @end example
3126
3127 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3128 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3129 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3130 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3131 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3132 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3133
3134 @cindex @code{dirac_ONE()}
3135 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3136
3137 @example
3138 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3139 @end example
3140
3141 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3142 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3143 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3144 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3145 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3146
3147 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3148 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3149 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3150 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3151
3152 @example
3153 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3154 @end example
3155
3156 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3157 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3158 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3159 objects, constructed by
3160
3161 @example
3162 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3163 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3164 @end example
3165
3166 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3167 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3168
3169 @cindex @code{dirac_slash()}
3170 Finally, the function
3171
3172 @example
3173 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3174 @end example
3175
3176 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3177 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3178 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3179 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3180
3181 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3182 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3183 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3184
3185 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3186 for example
3187
3188 @example
3189 @{
3190     ...
3191     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3192     varidx mu(symbol("mu"), D);
3193     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3194          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3195     cout << e << endl;
3196      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3197     e = e.simplify_indexed();
3198     cout << e << endl;
3199      // -> -D*a\+2*a\
3200     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3201      // -> -2*a\
3202     ...
3203 @}
3204 @end example
3205
3206 @cindex @code{dirac_trace()}
3207 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3208 you use one of the functions
3209
3210 @example
3211 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3212                const ex & trONE = 4);
3213 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3214 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3215 @end example
3216
3217 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3218 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3219 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3220 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3221 element, which defaults to 4.
3222
3223 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3224 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3225 functional is not cyclic in
3226 @tex $D \ne 4$
3227 @end tex
3228 @ifnottex
3229 @math{D != 4}
3230 @end ifnottex
3231 dimensions when acting on
3232 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3233 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3234 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3235
3236 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3237 @tex $D \ne 4$
3238 @end tex
3239 @ifnottex
3240 @math{D != 4}
3241 @end ifnottex
3242 dimensions:
3243
3244 @example
3245 @{
3246     // 4 dimensions
3247     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3248     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3249            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3250     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3251      // -> -8*eta~rho~nu
3252 @}
3253 ...
3254 @{
3255     // D dimensions
3256     symbol D("D");
3257     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3258     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3259            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3260     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3261      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3262 @}
3263 @end example
3264
3265 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3266 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3267 QED:
3268
3269 @example
3270 @{
3271     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3272     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3273
3274     scalar_products sp;
3275     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3276     sp.add(l, q, ldotq);
3277
3278     ex e = dirac_gamma(mu) *
3279            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3280            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3281            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3282     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3283     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3284     cout << e << endl;
3285      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3286 @}
3287 @end example
3288
3289 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3290 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3291 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3292
3293 @example
3294 @{
3295     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3296     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3297     cout << e << endl;
3298      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3299
3300     e = canonicalize_clifford(e);
3301     cout << e << endl;
3302      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3303 @}
3304 @end example
3305
3306 @cindex @code{clifford_unit()}
3307 @subsubsection A generic Clifford algebra
3308
3309 A generic Clifford algebra, i.e. a
3310 @tex $2^n$
3311 @end tex
3312 @ifnottex
3313 2^n
3314 @end ifnottex
3315 dimensional algebra with
3316 generators 
3317 @tex $e_k$
3318 @end tex 
3319 @ifnottex
3320 e_k
3321 @end ifnottex
3322 satisfying the identities 
3323 @tex
3324 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3325 @end tex
3326 @ifnottex
3327 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3328 @end ifnottex
3329 for some bilinear form (@code{metric})
3330 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3331 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3332 function 
3333
3334 @example
3335     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3336 @end example
3337
3338 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3339 indexing the generators.
3340 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3341 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3342 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3343 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3344 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3345 @code{op(0)} will be used.
3346 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3347 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3348
3349 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3350 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3351 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3352 @cindex @code{get_metric()}
3353 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3354 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3355 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3356 specifies as follows:
3357
3358 @example
3359     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3360 @end example
3361
3362 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3363 Clifford number.
3364
3365 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3366 the Clifford algebra units with a call like that
3367
3368 @example
3369     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3370 @end example
3371
3372 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3373 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3374 automatically. 
3375
3376 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3377 ways. For example 
3378
3379 @example
3380 @{
3381     ... 
3382     idx i(symbol("i"), 4);
3383     realsymbol s("s");
3384     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3385     ex e = clifford_unit(i, M);
3386     ex e0 = e.subs(i == 0);
3387     ex e1 = e.subs(i == 1);
3388     ex e2 = e.subs(i == 2);
3389     ex e3 = e.subs(i == 3);
3390     ...
3391 @}
3392 @end example
3393
3394 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3395 @tex
3396 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3397 @end tex
3398 @ifnottex
3399 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3400 @code{pow(e3, 2) = s}.
3401 @end ifnottex
3402
3403 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3404 A similar effect can be achieved from the function
3405
3406 @example
3407     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3408                        unsigned char rl = 0);
3409     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3410 @end example
3411
3412 which converts a list or vector 
3413 @tex
3414 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3415 @end tex
3416 @ifnottex
3417 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3418 @end ifnottex
3419 into the
3420 Clifford number 
3421 @tex
3422 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3423 @end tex
3424 @ifnottex
3425 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3426 @end ifnottex
3427 with @samp{e.k}
3428 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3429 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3430 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3431 @cindex pseudo-vector
3432 If the number of components supplied
3433 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3434 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3435 pseudo-vector representation: 
3436 @tex
3437 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3438 @end tex
3439 @ifnottex
3440 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3441 @end ifnottex
3442
3443 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3444
3445 @example
3446 @{
3447     ...
3448     idx i(symbol("i"), 4);
3449     realsymbol s("s");
3450     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3451     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3452     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3453     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3454     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3455   ...
3456 @}
3457 @end example
3458
3459 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3460 There is the inverse function 
3461
3462 @example
3463     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3464 @end example
3465
3466 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3467 @tex
3468 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3469 @end tex
3470 @ifnottex
3471 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3472 @end ifnottex
3473 such that the expression is either vector 
3474 @tex
3475 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3476 @end tex
3477 @ifnottex
3478 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3479 @end ifnottex
3480 or pseudo-vector 
3481 @tex
3482 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3483 @end tex
3484 @ifnottex
3485 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3486 @end ifnottex
3487 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3488 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3489 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3490 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3491 @samp{v~k} are calculated as 
3492 @tex
3493 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3494 @end tex
3495 @ifnottex
3496 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3497 @end ifnottex
3498 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3499 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3500 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3501
3502 @cindex @code{clifford_prime()}
3503 @cindex @code{clifford_star()}
3504 @cindex @code{clifford_bar()}
3505 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3506
3507 @example
3508     ex clifford_prime(const ex & e)
3509     inline ex clifford_star(const ex & e)
3510     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3511 @end example
3512
3513 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3514 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3515 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3516 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3517 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3518 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3519 in a product. These functions correspond to the notations
3520 @math{e'},
3521 @tex
3522 $e^*$
3523 @end tex
3524 @ifnottex
3525 e*
3526 @end ifnottex
3527 and
3528 @tex
3529 $\overline{e}$
3530 @end tex
3531 @ifnottex
3532 @code{\bar@{e@}}
3533 @end ifnottex
3534 used in Clifford algebra textbooks.
3535
3536 @cindex @code{clifford_norm()}
3537 The function
3538
3539 @example
3540     ex clifford_norm(const ex & e);
3541 @end example
3542
3543 @cindex @code{clifford_inverse()}
3544 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3545 @tex
3546 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3547 @end tex
3548 @ifnottex
3549 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3550 @end ifnottex
3551  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3552
3553 @example
3554     ex clifford_inverse(const ex & e);
3555 @end example
3556
3557 which calculates it as 
3558 @tex
3559 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3560 @end tex
3561 @ifnottex
3562 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3563 @end ifnottex
3564  If
3565 @tex
3566 $||e|| = 0$
3567 @end tex
3568 @ifnottex
3569 @math{||e||=0}
3570 @end ifnottex
3571 then an exception is raised.
3572
3573 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3574 If a Clifford number happens to be a factor of
3575 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3576 expression by the function
3577
3578 @example
3579     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3580 @end example
3581
3582 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3583 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3584 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3585
3586 The next provided function is
3587
3588 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3589 @example
3590     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3591                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3592                             unsigned char rl = 0);
3593     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3594                             unsigned char rl = 0);
3595 @end example 
3596
3597 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3598 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3599 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3600 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3601 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3602 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3603 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3604 is either a vector or a list holding vector's components.
3605
3606 @cindex @code{clifford_max_label()}
3607 Finally the function
3608
3609 @example
3610 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3611 @end example
3612
3613 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3614 such objects are found it returns the maximal
3615 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3616 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3617 be ignored during the search.
3618  
3619 LaTeX output for Clifford units looks like
3620 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3621 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3622 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3623 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3624 @example
3625     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3626 @end example
3627 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3628 @example
3629     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3630 @end example
3631 prints units with @code{representation_label=0} as 
3632 @tex
3633 $e$,
3634 @end tex
3635 @ifnottex
3636 @code{e},
3637 @end ifnottex
3638 with @code{representation_label=1} as 
3639 @tex
3640 $\tilde{e}$
3641 @end tex
3642 @ifnottex
3643 @code{\tilde@{e@}}
3644 @end ifnottex
3645  and with @code{representation_label=2} as 
3646 @tex
3647 $\breve{e}$.
3648 @end tex
3649 @ifnottex
3650 @code{\breve@{e@}}.
3651 @end ifnottex
3652
3653 @cindex @code{color} (class)
3654 @subsection Color algebra
3655
3656 @cindex @code{color_T()}
3657 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3658 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3659 elements @math{T_a} are constructed by the function
3660
3661 @example
3662 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3663 @end example
3664
3665 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3666 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3667 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3668 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3669 not @code{varidx}.
3670
3671 @cindex @code{color_ONE()}
3672 The unity element of a color algebra is constructed by
3673
3674 @example
3675 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3676 @end example
3677
3678 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3679 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3680 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3681 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3682 GiNaC may produce incorrect results.
3683
3684 @cindex @code{color_d()}
3685 @cindex @code{color_f()}
3686 The functions
3687
3688 @example
3689 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3690 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3691 @end example
3692
3693 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3694 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3695 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3696
3697 These functions evaluate to their numerical values,
3698 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3699 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3700 goes along better with the notations used in physical literature.
3701
3702 @cindex @code{color_h()}
3703 There's an additional function
3704
3705 @example
3706 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3707 @end example
3708
3709 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3710
3711 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3712 expressions containing color objects:
3713
3714 @example
3715 @{
3716     ...
3717     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3718         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3719
3720     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3721     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3722      // -> 0
3723
3724     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3725     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3726      // -> 5/3*delta.k.l
3727
3728     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3729     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3730      // -> 3*delta.k.l
3731
3732     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3733     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3734      // -> -32/3
3735
3736     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3737     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3738      // -> -2/3*T.a
3739
3740     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3741     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3742      // -> -8/9*ONE
3743
3744     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3745     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3746      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3747     ...
3748 @end example
3749
3750 @cindex @code{color_trace()}
3751 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3752 of the functions
3753
3754 @example
3755 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3756 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3757 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3758 @end example
3759
3760 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3761 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3762 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3763 example:
3764
3765 @example
3766     ...
3767     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3768     cout << e << endl;
3769      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3770 @}
3771 @end example
3772
3773
3774 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3775 @c    node-name, next, previous, up
3776 @section Hash Maps
3777 @cindex hash maps
3778 @cindex @code{exhashmap} (class)
3779
3780 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3781 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3782 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3783 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3784
3785 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3786 following differences:
3787
3788 @itemize @bullet
3789 @item
3790 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3791 @item
3792 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3793 @item 
3794 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3795 @item
3796 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3797 @code{ex_is_less}
3798 @item
3799 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3800 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3801 larger than the specified value)
3802 @item
3803 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3804 table
3805 @item 
3806 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3807 @end itemize
3808
3809
3810 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3811 @c    node-name, next, previous, up
3812 @chapter Methods and functions
3813 @cindex polynomial
3814
3815 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3816 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3817 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3818 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3819 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3820 example:
3821
3822 @example
3823     ...
3824     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3825     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3826     ...
3827 @end example
3828
3829 @cindex @code{subs()}
3830 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3831 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3832 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3833 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3834 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3835 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3836 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3837 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3838 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3839 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3840 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3841 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3842 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3843 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3844 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3845 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3846 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3847 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3848 avoided.
3849
3850 @menu
3851 * Information about expressions::
3852 * Numerical evaluation::
3853 * Substituting expressions::
3854 * Pattern matching and advanced substitutions::
3855 * Applying a function on subexpressions::
3856 * Visitors and tree traversal::
3857 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3858 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3859 * Symbolic differentiation::
3860 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3861 * Symmetrization::
3862 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3863 * Multiple polylogarithms::
3864 * Complex expressions::
3865 * Solving linear systems of equations::
3866 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3867 @end menu
3868
3869
3870 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3871 @c    node-name, next, previous, up
3872 @section Getting information about expressions
3873
3874 @subsection Checking expression types
3875 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3876 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3877 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3878 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3879 @cindex @code{info()}
3880 @cindex @code{return_type()}
3881 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3882
3883 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3884 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3885 GiNaC provides a couple of functions for this:
3886
3887 @example
3888 bool is_a<T>(const ex & e);
3889 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3890 bool ex::info(unsigned flag);
3891 unsigned ex::return_type() const;
3892 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3893 @end example
3894
3895 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3896 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3897 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3898 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3899
3900 @example
3901 @{
3902     @dots{}
3903     if (is_a<numeric>(e))
3904         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3905     @dots{}
3906 @}
3907 @end example
3908
3909 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3910 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3911 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3912 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3913
3914 @example
3915 @{
3916     symbol x("x");
3917     ex e1 = 42;
3918     ex e2 = 4*x - 3;
3919     is_a<numeric>(e1);  // true
3920     is_a<numeric>(e2);  // false
3921     is_a<add>(e1);      // false
3922     is_a<add>(e2);      // true
3923     is_a<mul>(e1);      // false
3924     is_a<mul>(e2);      // false
3925 @}
3926 @end example
3927
3928 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3929 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3930 class @samp{T}, not including parent classes.
3931
3932 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3933 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3934 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3935 table:
3936
3937 @cartouche
3938 @multitable @columnfractions .30 .70
3939 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3940 @item @code{numeric}
3941 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3942 @item @code{real}
3943 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3944 @item @code{rational}
3945 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3946 @item @code{integer}
3947 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3948 @item @code{crational}
3949 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3950 @item @code{cinteger}
3951 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3952 @item @code{positive}
3953 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3954 @item @code{negative}
3955 @tab @dots{}not complex and less than 0
3956 @item @code{nonnegative}
3957 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3958 @item @code{posint}
3959 @tab @dots{}an integer greater than 0
3960 @item @code{negint}
3961 @tab @dots{}an integer less than 0
3962 @item @code{nonnegint}
3963 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3964 @item @code{even}
3965 @tab @dots{}an even integer
3966 @item @code{odd}
3967 @tab @dots{}an odd integer
3968 @item @code{prime}
3969 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3970 @item @code{relation}
3971 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3972 @item @code{relation_equal}
3973 @tab @dots{}a @code{==} relation
3974 @item @code{relation_not_equal}
3975 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3976 @item @code{relation_less}
3977 @tab @dots{}a @code{<} relation
3978 @item @code{relation_less_or_equal}
3979 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3980 @item @code{relation_greater}
3981 @tab @dots{}a @code{>} relation
3982 @item @code{relation_greater_or_equal}
3983 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3984 @item @code{symbol}
3985 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3986 @item @code{list}
3987 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3988 @item @code{polynomial}
3989 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3990 @item @code{integer_polynomial}
3991 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3992 @item @code{cinteger_polynomial}
3993 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3994 @item @code{rational_polynomial}
3995 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3996 @item @code{crational_polynomial}
3997 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3998 @item @code{rational_function}
3999 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
4000 @end multitable
4001 @end cartouche
4002
4003 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
4004 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
4005 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
4006 for an explanation of these.
4007
4008
4009 @subsection Accessing subexpressions
4010 @cindex container
4011
4012 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
4013 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
4014 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
4015 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4016
4017 @cindex @code{nops()}
4018 @cindex @code{op()}
4019 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4020 use the two methods
4021
4022 @example
4023 size_t ex::nops();
4024 ex ex::op(size_t i);
4025 @end example
4026
4027 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4028 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4029 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4030 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4031 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4032 @math{i>0} are the indices.
4033
4034 @cindex iterators
4035 @cindex @code{const_iterator}
4036 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4037 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4038
4039 @example
4040 const_iterator ex::begin();
4041 const_iterator ex::end();
4042 @end example
4043
4044 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4045 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4046 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4047 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4048
4049 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4050 given expression in three different ways:
4051
4052 @example
4053 @{
4054     ex e = ...
4055
4056     // with nops()/op()
4057     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4058         cout << e.op(i) << endl;
4059
4060     // with iterators
4061     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4062         cout << *i << endl;
4063
4064     // with iterators and STL copy()
4065     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4066 @}
4067 @end example
4068
4069 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4070 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4071 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4072 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4073 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4074 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4075 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4076 methods
4077
4078 @example
4079 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4080 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4081 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4082 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4083 @end example
4084
4085 The following example illustrates the differences between
4086 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4087 @code{const_postorder_iterator}:
4088
4089 @example
4090 @{
4091     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4092     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4093
4094     std::copy(e.begin(), e.end(),
4095               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4096     // @{A,B@}
4097     // C
4098
4099     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4100               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4101     // @{@{A,B@},C@}
4102     // @{A,B@}
4103     // A
4104     // B
4105     // C
4106
4107     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4108               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4109     // A
4110     // B
4111     // @{A,B@}
4112     // C
4113     // @{@{A,B@},C@}
4114 @}
4115 @end example
4116
4117 @cindex @code{relational} (class)
4118 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4119 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4120 methods
4121
4122 @example
4123 ex ex::lhs();
4124 ex ex::rhs();
4125 @end example
4126
4127
4128 @subsection Comparing expressions
4129 @cindex @code{is_equal()}
4130 @cindex @code{is_zero()}
4131
4132 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4133 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4134 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4135 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4136 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4137 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4138 @code{false}.
4139
4140 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4141 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4142 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4143
4144 There are also two methods
4145
4146 @example
4147 bool ex::is_equal(const ex & other);
4148 bool ex::is_zero();
4149 @end example
4150
4151 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4152 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4153 @pxref{Matrices}. 
4154
4155
4156 @subsection Ordering expressions
4157 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4158 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4159 @cindex @code{compare()}
4160
4161 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4162 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4163 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4164 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4165
4166 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4167 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4168 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4169 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4170 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4171 yield @code{true}.
4172
4173 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4174 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4175 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4176 predicates to the STL:
4177
4178 @example
4179 class ex_is_less @{
4180 public:
4181     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4182 @};
4183
4184 class ex_is_equal @{
4185 public:
4186     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4187 @};
4188 @end example
4189
4190 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4191 have to use
4192
4193 @example
4194 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4195 @end example
4196
4197 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4198 bugs because the map operates improperly.
4199
4200 Other examples for the use of the functors:
4201
4202 @example
4203 std::vector<ex> v;
4204 // fill vector
4205 ...
4206
4207 // sort vector
4208 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4209
4210 // count the number of expressions equal to '1'
4211 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4212                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4213 @end example
4214
4215 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4216
4217 @example
4218 int ex::compare(const ex & other) const;
4219 @end example
4220
4221 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4222 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4223 after @code{other}.
4224
4225
4226 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4227 @c    node-name, next, previous, up
4228 @section Numerical evaluation
4229 @cindex @code{evalf()}
4230
4231 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4232 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4233
4234 @example
4235 ex ex::evalf() const;
4236 @end example
4237
4238 @cindex @code{Digits}
4239 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4240 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4241 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4242
4243 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4244 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4245
4246 @example
4247 @{
4248     // Approximate sin(x/Pi)
4249     symbol x("x");
4250     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4251
4252     // Evaluate numerically at x=0.1
4253     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4254
4255     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4256     if (is_a<numeric>(f)) @{
4257         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4258         cout << d << endl;
4259          // -> 0.0318256
4260     @} else
4261         // error
4262 @}
4263 @end example
4264
4265
4266 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4267 @c    node-name, next, previous, up
4268 @section Substituting expressions
4269 @cindex @code{subs()}
4270
4271 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4272 expressions via the @code{.subs()} method:
4273
4274 @example
4275 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4276 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4277 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4278 @end example
4279
4280 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4281 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4282
4283 @example
4284 @{
4285     symbol x("x"), y("y");
4286
4287     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4288     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4289      // -> 73
4290
4291     ex e2 = x*y + x;
4292     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4293      // -> -10
4294 @}
4295 @end example
4296
4297 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4298 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4299
4300 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4301 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4302 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4303 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4304 be substituted is large or unknown.
4305
4306 Using this form, the second example from above would look like this:
4307
4308 @example
4309 @{
4310     symbol x("x"), y("y");
4311     ex e2 = x*y + x;
4312
4313     exmap m;
4314     m[x] = -2;
4315     m[y] = 4;
4316     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4317 @}
4318 @end example
4319
4320 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4321 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4322 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4323
4324 @example
4325 @{
4326     symbol x("x"), y("y");
4327     ex e2 = x*y + x;
4328
4329     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4330 @}
4331 @end example
4332
4333 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4334 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4335 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4336 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4337 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4338 algebraic substitutions in products and powers.
4339 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4340 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4341 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4342 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4343 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4344 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4345
4346 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4347 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4348 following example:
4349
4350 @example
4351 @{
4352     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4353
4354     ex e1 = pow(x+y, 2);
4355     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4356      // -> 16
4357
4358     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4359     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4360      // -> cos(x)^2*sin(y)
4361
4362     ex e3 = x+y+z;
4363     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4364      // -> x+y+z
4365      // (and not 4+z as one might expect)
4366 @}
4367 @end example
4368
4369 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4370 next section.
4371
4372
4373 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4374 @c    node-name, next, previous, up
4375 @section Pattern matching and advanced substitutions
4376 @cindex @code{wildcard} (class)
4377 @cindex Pattern matching
4378
4379 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4380 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4381 substituting expressions in a more general way.
4382
4383 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4384 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4385 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4386 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4387 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4388 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4389 with the call
4390
4391 @example
4392 ex wild(unsigned label = 0);
4393 @end example
4394
4395 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4396 name.
4397
4398 Some examples for patterns:
4399
4400 @multitable @columnfractions .5 .5
4401 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4402 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4403 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4404 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4405 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4406 @end multitable
4407
4408 Notes:
4409
4410 @itemize @bullet
4411 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4412   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4413 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4414   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4415   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4416 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4417   possible to use them as placeholders for other properties like index
4418   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4419   etc.
4420 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4421   as part of noncommutative products.
4422 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4423   are also valid patterns.
4424 @end itemize
4425
4426 @subsection Matching expressions
4427 @cindex @code{match()}
4428 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4429 matches a given pattern. This is done by the function
4430
4431 @example
4432 bool ex::match(const ex & pattern);
4433 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4434 @end example
4435
4436 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4437 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4438 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4439 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4440 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4441
4442 The matching algorithm works as follows:
4443
4444 @itemize
4445 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4446   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4447   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4448   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4449 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4450   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4451   etc.).
4452 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4453   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4454 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4455   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4456   of the pattern.
4457 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4458   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4459 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4460   match the corresponding subexpression of the pattern.
4461 @end itemize
4462
4463 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4464 account for their commutativity and associativity:
4465
4466 @itemize
4467 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4468   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4469   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4470   way.
4471 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4472   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4473   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4474   further matches.
4475 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4476   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4477   which case this wildcard matches the remaining terms.
4478 @end itemize
4479
4480 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4481 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4482 ambiguous results.
4483
4484 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4485 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4486 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4487
4488 @example
4489 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4490 @{@}
4491 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4492 FAIL
4493 > match((x+y)^a,$1^$2);
4494 @{$1==x+y,$2==a@}
4495 > match((x+y)^a,$1^$1);
4496 FAIL
4497 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4498 @{$1==x+y@}
4499 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4500 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4501 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4502 @{$1==a@}
4503 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4504 @{$1==b,$2==c@}
4505   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4506 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4507   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4508    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4509    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4510    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4511    fail.)
4512 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4513   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4514    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4515 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4516 FAIL
4517 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4518 @{$0==a+e+b+f+d@}
4519 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4520 @{$0==a+b+f+d@}
4521 > match(a+b,a+b+$0);
4522 @{$0==0@}
4523 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4524 FAIL
4525   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4526    even though a==a^1.)
4527 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4528 @{$0==x@}
4529 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4530 @{$0==x^2@}
4531 @end example
4532
4533 @subsection Matching parts of expressions
4534 @cindex @code{has()}
4535 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4536 member function
4537
4538 @example
4539 bool ex::has(const ex & pattern);
4540 @end example
4541
4542 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4543 by any of its subexpressions.
4544
4545 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4546 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4547
4548 @example
4549 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4550 1
4551 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4552 0
4553   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4554    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4555 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4556 1
4557   (But this is possible.)
4558 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4559 0
4560   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4561    which "x+y" is not a subexpression.)
4562 > has(x+1,x^$1);
4563 0
4564   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4565    "x^something".)
4566 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4567 1
4568 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4569 0
4570   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4571    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4572    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4573 @end example
4574
4575 @cindex @code{find()}
4576 The method
4577
4578 @example
4579 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4580 @end example
4581
4582 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4583 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4584 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4585 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4586 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4587
4588 @example
4589 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4590 @{x@}
4591 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4592 @{@}
4593 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4594 @{x^3,x^2@}
4595   (Note the absence of "x".)
4596 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4597 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4598 > find(%,sin($1));
4599 @{sin(y),sin(x)@}
4600 @end example
4601
4602 @subsection Substituting expressions
4603 @cindex @code{subs()}
4604 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4605 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4606 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4607 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4608 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4609
4610 Some examples:
4611
4612 @example
4613 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4614 b^3+a^3+(x+y)^3
4615 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4616 b^4+a^4+(x+y)^4
4617 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4618 (a+b+c)^2
4619 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4620 (x+c)^2
4621 > subs(a+2*b,a+b==x);
4622 a+2*b
4623 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4624 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4625 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4626 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4627 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4628 cos(1+cos(x))
4629 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4630 a+b
4631 @end example
4632
4633 The last example would be written in C++ in this way:
4634
4635 @example
4636 @{
4637     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4638     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4639     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4640     cout << e.expand() << endl;
4641      // -> a+b
4642 @}
4643 @end example
4644
4645 @subsection The option algebraic
4646 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4647 extra options. This section describes what happens if you give the former
4648 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4649 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4650 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4651 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4652 If you use these options you will find that
4653 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4654 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4655 often as is possible without getting negative exponents. For example
4656 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4657 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4658 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4659 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4660
4661 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4662 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4663
4664
4665 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4666 @c    node-name, next, previous, up
4667 @section Applying a function on subexpressions
4668 @cindex tree traversal
4669 @cindex @code{map()}
4670
4671 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4672 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4673 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4674 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4675 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4676 to do this manually which usually results in code like this:
4677
4678 @example
4679 ex calc_trace(ex e)
4680 @{
4681     if (is_a<matrix>(e))
4682         return ex_to<matrix>(e).trace();
4683     else if (is_a<add>(e)) @{
4684         ex sum = 0;
4685         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4686             sum += calc_trace(e.op(i));
4687         return sum;
4688     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4689         ...
4690     @} else @{
4691         ...
4692     @}
4693 @}
4694 @end example
4695
4696 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4697 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4698 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4699 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4700 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4701
4702 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4703 operations:
4704
4705 @example
4706 ex ex::map(map_function & f) const;
4707 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4708 @end example
4709
4710 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4711 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4712 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4713 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4714 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4715 non-recursively.
4716
4717 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4718 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4719 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4720 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4721 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4722
4723 @example
4724 struct calc_trace : public map_function @{
4725     ex operator()(const ex &e)
4726     @{
4727         if (is_a<matrix>(e))
4728             return ex_to<matrix>(e).trace();
4729         else if (is_a<mul>(e)) @{
4730             ...
4731         @} else
4732             return e.map(*this);
4733     @}
4734 @};
4735 @end example
4736
4737 This function object could then be used like this:
4738
4739 @example
4740 @{
4741     ex M = ... // expression with matrices
4742     calc_trace do_trace;
4743     ex tr = do_trace(M);
4744 @}
4745 @end example
4746
4747 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4748 terms in a variable from an expanded polynomial:
4749
4750 @example
4751 struct map_rem_quad : public map_function @{
4752     ex var;
4753     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4754
4755     ex operator()(const ex & e)
4756     @{
4757         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4758             return e.map(*this);
4759         else if (is_a<power>(e) && 
4760                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4761             return 0;
4762         else
4763             return e;
4764     @}
4765 @};
4766
4767 ...
4768
4769 @{
4770     symbol x("x"), y("y");
4771
4772     ex e;
4773     for (int i=0; i<8; i++)
4774         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4775     cout << e << endl;
4776      // -> 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
4777
4778     map_rem_quad rem_quad(x);
4779     cout << rem_quad(e) << endl;
4780      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4781 @}
4782 @end example
4783
4784 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4785 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4786 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4787 acts as the placeholder for the operands:
4788
4789 @example
4790 > map(a*b,sin($0));
4791 sin(a)*sin(b)
4792 > map(a+2*b,sin($0));
4793 sin(a)+sin(2*b)
4794 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4795 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4796 @end example
4797
4798 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4799 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4800 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4801
4802 @example
4803 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4804 @{0,0,0@}
4805   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4806   to "map(@{a,b,c@},0)".
4807 @end example
4808
4809
4810 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4811 @c    node-name, next, previous, up
4812 @section Visitors and tree traversal
4813 @cindex tree traversal
4814 @cindex @code{visitor} (class)
4815 @cindex @code{accept()}
4816 @cindex @code{visit()}
4817 @cindex @code{traverse()}
4818 @cindex @code{traverse_preorder()}
4819 @cindex @code{traverse_postorder()}
4820
4821 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4822 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4823 indices with variance you always want the covariant version returned.
4824
4825 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4826 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4827 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4828 with variance, one for plain ones).
4829
4830 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4831 such as the following:
4832
4833 @example
4834 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4835 @{
4836     if (is_a<varidx>(e)) @{
4837         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4838         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4839     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4840         l.append(e);
4841     @} else @{
4842         size_t n = e.nops();
4843         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4844             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4845     @}
4846 @}
4847
4848 lst gather_indices(const ex & e)
4849 @{
4850     lst l;
4851     gather_indices_helper(e, l);
4852     l.sort();
4853     l.unique();
4854     return l;
4855 @}
4856 @end example
4857
4858 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4859 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4860 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4861
4862 @example
4863     if (is_a<idx>(e)) @{
4864       ...
4865     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4866       ...
4867 @end example
4868
4869 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4870 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4871 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4872 executed.
4873
4874 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4875 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4876 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4877 write a function that required a different implementation for nearly
4878 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4879
4880 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4881 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4882 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4883 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4884 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4885 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4886 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4887 presented this would be impractical.
4888
4889 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4890 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4891 variation, described in detail in
4892 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4893 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4894 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4895 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4896 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4897 object that @code{accept()} was being invoked on.
4898
4899 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4900 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4901 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4902 each class.
4903
4904 A call of
4905
4906 @example
4907 void ex::accept(visitor & v) const;
4908 @end example
4909
4910 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4911 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4912 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4913
4914 Here is an example of a visitor:
4915
4916 @example
4917 class my_visitor
4918  : public visitor,          // this is required
4919    public add::visitor,     // visit add objects
4920    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4921    public basic::visitor    // visit basic objects
4922 @{
4923     void visit(const add & x)
4924     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4925
4926     void visit(const numeric & x)
4927     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4928
4929     void visit(const basic & x)
4930     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4931 @};
4932 @end example
4933
4934 which can be used as follows:
4935
4936 @example
4937 ...
4938     symbol x("x");
4939     ex e1 = 42;
4940     ex e2 = 4*x-3;
4941     ex e3 = 8*x;
4942
4943     my_visitor v;
4944     e1.accept(v);
4945      // prints "called with a numeric object"
4946     e2.accept(v);
4947      // prints "called with an add object"
4948     e3.accept(v);
4949      // prints "called with a basic object"
4950 ...
4951 @end example
4952
4953 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4954 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4955
4956 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4957 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4958 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4959 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4960 hierarchies of visitors.
4961
4962 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4963
4964 @example
4965 class gather_indices_visitor
4966  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4967 @{
4968     lst l;
4969
4970     void visit(const idx & i)
4971     @{
4972         l.append(i);
4973     @}
4974
4975     void visit(const varidx & vi)
4976     @{
4977         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4978     @}
4979
4980 public:
4981     const lst & get_result() // utility function
4982     @{
4983         l.sort();
4984         l.unique();
4985         return l;
4986     @}
4987 @};
4988 @end example
4989
4990 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4991 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4992
4993 @example
4994 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4995 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4996 void ex::traverse(visitor & v) const;
4997 @end example
4998
4999 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
5000 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
5001 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
5002 @code{traverse_preorder()}.
5003
5004 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
5005 and @code{traverse()}:
5006
5007 @example
5008 lst gather_indices(const ex & e)
5009 @{
5010     gather_indices_visitor v;
5011     e.traverse(v);
5012     return v.get_result();
5013 @}
5014 @end example
5015
5016 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5017 traversal:
5018
5019 @example
5020 lst gather_indices(const ex & e)
5021 @{
5022     gather_indices_visitor v;
5023     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5024          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5025         i->accept(v);
5026     @}
5027     return v.get_result();
5028 @}
5029 @end example
5030
5031
5032 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5033 @c    node-name, next, previous, up
5034 @section Polynomial arithmetic
5035
5036 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5037 @cindex @code{is_polynomial()}
5038
5039 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5040 can be done with the method
5041 @example
5042 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5043 @end example
5044 In the case of more than
5045 one variable, the variables are given as a list.
5046
5047 @example
5048 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5049 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5050 @end example
5051
5052 @subsection Expanding and collecting
5053 @cindex @code{expand()}
5054 @cindex @code{collect()}
5055 @cindex @code{collect_common_factors()}
5056
5057 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5058 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5059 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5060 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5061 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5062 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5063 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5064 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5065 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5066 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5067 x*z}.
5068
5069 To bring an expression into expanded form, its method
5070
5071 @example
5072 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5073 @end example
5074
5075 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5076 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5077 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5078 orderings of terms in such sums!
5079
5080 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5081 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5082 being polynomials in the remaining variables.  The method
5083 @code{collect()} accomplishes this task:
5084
5085 @example
5086 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5087 @end example
5088
5089 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5090 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5091 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5092 by the @code{distributed} flag.
5093
5094 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5095 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5096 coefficients properly.
5097
5098 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5099 together with @code{find()}:
5100
5101 @example
5102 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5103 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)
5104 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5105 > collect(a,@{p,q@});
5106 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5107 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5108 > collect(a,find(a,sin($1)));
5109 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5110 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5111 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5112 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5113 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5114 @end example
5115
5116 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5117 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5118
5119 @example
5120 ex collect_common_factors(const ex & e);
5121 @end example
5122
5123 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5124 factors which are already explicitly present:
5125
5126 @example
5127 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5128 (x+y)*a
5129 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5130 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5131 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5132 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5133 @end example
5134
5135 @subsection Degree and coefficients
5136 @cindex @code{degree()}
5137 @cindex @code{ldegree()}
5138 @cindex @code{coeff()}
5139
5140 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5141 using the two methods
5142
5143 @example
5144 int ex::degree(const ex & s);
5145 int ex::ldegree(const ex & s);
5146 @end example
5147
5148 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5149 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5150 with a certain power from an expanded polynomial you use
5151
5152 @example
5153 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5154 @end example
5155
5156 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5157
5158 @example
5159 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5160 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5161 @end example
5162
5163 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5164 respectively.
5165
5166 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5167 polynomial is analyzed:
5168
5169 @example
5170 @{
5171     symbol x("x"), y("y");
5172     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5173                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5174     ex Poly = PolyInp.expand();
5175     
5176     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5177         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5178              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5179     @}
5180     cout << "As polynomial in y: " 
5181          << Poly.collect(y) << endl;
5182 @}
5183 @end example
5184
5185 When run, it returns an output in the following fashion:
5186
5187 @example
5188 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5189 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5190 The x^2-coefficient is -1
5191 The x^3-coefficient is 4*y
5192 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5193 @end example
5194
5195 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5196 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5197 within the user's sphere of influence.
5198
5199 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5200 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5201 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5202 constants, functions and indexed objects as well:
5203
5204 @example
5205 @{
5206     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5207     idx i(symbol("i"), 3);
5208
5209     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5210     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5211      // -> 4
5212     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5213      // -> -4*cos(x)
5214
5215     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5216     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5217     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5218      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5219 @}
5220 @end example
5221
5222
5223 @subsection Polynomial division
5224 @cindex polynomial division
5225 @cindex quotient
5226 @cindex remainder
5227 @cindex pseudo-remainder
5228 @cindex @code{quo()}
5229 @cindex @code{rem()}
5230 @cindex @code{prem()}
5231 @cindex @code{divide()}
5232
5233 The two functions
5234
5235 @example
5236 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5237 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5238 @end example
5239
5240 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5241 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5242
5243 The additional function
5244
5245 @example
5246 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5247 @end example
5248
5249 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5250 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5251
5252 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5253
5254 @example
5255 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5256 @end example
5257
5258 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5259 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5260 in which case the value of @code{q} is undefined.
5261
5262
5263 @subsection Unit, content and primitive part
5264 @cindex @code{unit()}
5265 @cindex @code{content()}
5266 @cindex @code{primpart()}
5267 @cindex @code{unitcontprim()}
5268
5269 The methods
5270
5271 @example
5272 ex ex::unit(const ex & x);
5273 ex ex::content(const ex & x);
5274 ex ex::primpart(const ex & x);
5275 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5276 @end example
5277
5278 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5279 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5280 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5281 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5282 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5283 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5284 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5285 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5286
5287 Additionally, the method
5288
5289 @example
5290 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5291 @end example
5292
5293 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5294 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5295
5296
5297 @subsection GCD, LCM and resultant
5298 @cindex GCD
5299 @cindex LCM
5300 @cindex @code{gcd()}
5301 @cindex @code{lcm()}
5302
5303 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5304 multiple have the synopsis
5305
5306 @example
5307 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5308 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5309 @end example
5310
5311 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5312 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5313 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5314 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5315 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5316 the coefficients must be rationals.
5317
5318 @example
5319 #include <ginac/ginac.h>
5320 using namespace GiNaC;
5321
5322 int main()
5323 @{
5324     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5325     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5326     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5327
5328     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5329     // x + 5*y + 4*z
5330     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5331     // 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
5332 @}
5333 @end example
5334
5335 @cindex resultant
5336 @cindex @code{resultant()}
5337
5338 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5339 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5340 expressions. The function has the interface
5341
5342 @example
5343 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5344 @end example
5345
5346 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5347 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5348 @code{y}, respectively:
5349
5350 @example
5351 #include <ginac/ginac.h>
5352 using namespace GiNaC;
5353
5354 int main()
5355 @{
5356     symbol x("x"), y("y");
5357
5358     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5359     ex r;
5360     
5361     r = resultant(e1, e2, x); 
5362     // -> 1+2*y^6
5363     r = resultant(e1, e2, y); 
5364     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5365 @}
5366 @end example
5367
5368 @subsection Square-free decomposition
5369 @cindex square-free decomposition
5370 @cindex factorization
5371 @cindex @code{sqrfree()}
5372
5373 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5374 @example
5375 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5376 @end example
5377 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5378 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5379 some care with subsequent processing of the result:
5380 @example
5381     ...
5382     symbol x("x"), y("y");
5383     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5384
5385     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5386      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5387
5388     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5389      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5390
5391     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5392      // -> depending on luck, any of the above
5393     ...
5394 @end example
5395 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5396 with this method.
5397
5398 @subsection Polynomial factorization
5399 @cindex factorization
5400 @cindex polynomial factorization
5401 @cindex @code{factor()}
5402
5403 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5404 @example
5405 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5406 @end example
5407 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5408 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5409 @example
5410     ...
5411     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5412      // -> (1+x)*(-1+x)
5413     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5414      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5415     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5416      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5417     ...
5418 @end example
5419 The results are as expected except for the last one where no factorization
5420 seems to have been done. This is due to the default option
5421 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5422 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5423 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5424
5425 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5426 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5427 arguments. With this option the example gives:
5428 @example
5429     ...
5430     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5431          << endl;
5432      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5433     ...
5434 @end example
5435 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5436 the following example does not factor:
5437 @example
5438     ...
5439     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5440      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5441     ...
5442 @end example
5443 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5444 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5445 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5446 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5447 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5448 cheaper and more appropriate alternative.
5449
5450 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5451 @c    node-name, next, previous, up
5452 @section Rational expressions
5453
5454 @subsection The @code{normal} method
5455 @cindex @code{normal()}
5456 @cindex simplification
5457 @cindex temporary replacement
5458
5459 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5460 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5461 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5462 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5463 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5464 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5465
5466 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5467 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5468 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5469 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5470 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5471 @code{.to_rational()}, described below.
5472
5473 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5474 simplified in this little code snippet:
5475
5476 @example
5477 @{
5478     symbol x("x");
5479     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5480     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5481     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5482     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5483 @}
5484 @end example
5485
5486 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5487 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5488 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5489
5490
5491 @subsection Numerator and denominator
5492 @cindex numerator
5493 @cindex denominator
5494 @cindex @code{numer()}
5495 @cindex @code{denom()}
5496 @cindex @code{numer_denom()}
5497
5498 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5499
5500 @example
5501 ex ex::numer();
5502 ex ex::denom();
5503 ex ex::numer_denom();
5504 @end example
5505
5506 These functions will first normalize the expression as described above and
5507 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5508 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5509 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5510 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5511 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5512 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5513
5514
5515 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5516 @cindex @code{to_polynomial()}
5517 @cindex @code{to_rational()}
5518
5519 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5520 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5521 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5522 above. You do this by calling
5523
5524 @example
5525 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5526 @end example
5527 or
5528 @example
5529 ex ex::to_rational(exmap & m);
5530 @end example
5531
5532 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5533 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5534 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5535 already contain a list of replacements from an earlier application of
5536 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5537 it on multiple expressions and get consistent results.
5538
5539 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5540 is probably best illustrated with an example:
5541
5542 @example
5543 @{
5544     symbol x("x"), y("y");
5545     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5546     cout << a << endl;
5547
5548     exmap mp;
5549     ex p = a.to_polynomial(mp);
5550     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5551      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5552      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5553
5554     exmap mr;
5555     ex r = a.to_rational(mr);
5556     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5557      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5558      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5559 @}
5560 @end example
5561
5562 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5563
5564 @example
5565 @{
5566     symbol x("x");
5567     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5568     ex b = sin(x) + cos(x);
5569     ex q;
5570     exmap m;
5571     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5572     cout << q.subs(m) << endl;
5573 @}
5574 @end example
5575
5576
5577 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5578 @c    node-name, next, previous, up
5579 @section Symbolic differentiation
5580 @cindex differentiation
5581 @cindex @code{diff()}
5582 @cindex chain rule
5583 @cindex product rule
5584
5585 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5586 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5587 the derivatives of all the monomials:
5588
5589 @example
5590 @{
5591     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5592     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5593
5594     cout << P.diff(x,2) << endl;
5595      // -> 20*x^3 + 2
5596     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5597      // -> 1
5598     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5599      // -> 0
5600 @}
5601 @end example
5602
5603 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5604 returns the @var{n}th derivative.
5605
5606 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5607 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5608 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5609 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5610 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5611 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5612 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5613 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5614 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5615 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5616 lines:
5617
5618 @cindex Euler numbers
5619 @example
5620 #include <ginac/ginac.h>
5621 using namespace GiNaC;
5622
5623 ex EulerNumber(unsigned n)
5624 @{
5625     symbol x;
5626     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5627     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5628 @}
5629
5630 int main()
5631 @{
5632     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5633         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5634     return 0;
5635 @}
5636 @end example
5637
5638 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5639 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5640 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5641
5642
5643 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5644 @c    node-name, next, previous, up
5645 @section Series expansion
5646 @cindex @code{series()}
5647 @cindex Taylor expansion
5648 @cindex Laurent expansion
5649 @cindex @code{pseries} (class)
5650 @cindex @code{Order()}
5651
5652 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5653 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5654 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5655 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5656 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5657 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5658 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5659 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5660 term).  A sample application from special relativity could read:
5661
5662 @example
5663 #include <ginac/ginac.h>
5664 using namespace std;
5665 using namespace GiNaC;
5666
5667 int main()
5668 @{
5669     symbol v("v"), c("c");
5670     
5671     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5672     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5673     
5674     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5675          << mass_nonrel << endl;
5676     
5677     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5678          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5679 @}
5680 @end example
5681
5682 Only calling the series method makes the last output simplify to
5683 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5684 series raised to the power @math{-2}.
5685
5686 @cindex Machin's formula
5687 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5688 value of Archimedes' constant
5689 @tex
5690 $\pi$
5691 @end tex
5692 @ifnottex
5693 @math{Pi}
5694 @end ifnottex
5695 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5696 using John Machin's amazing formula
5697 @tex
5698 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5699 @end tex
5700 @ifnottex
5701 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5702 @end ifnottex
5703 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5704 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5705 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5706 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5707 order term with it and the question arises what the system is supposed
5708 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5709 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5710 term off:
5711
5712 @example
5713 #include <ginac/ginac.h>
5714 using namespace GiNaC;
5715
5716 ex machin_pi(int degr)
5717 @{
5718     symbol x;
5719     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5720     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5721                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5722     return pi_approx;
5723 @}
5724
5725 int main()
5726 @{
5727     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5728     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5729     ex pi_frac;
5730     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5731         pi_frac = machin_pi(i);
5732         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5733              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5734     @}
5735     return 0;
5736 @}
5737 @end example
5738
5739 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5740 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5741 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5742 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5743 program, it will type out:
5744
5745 @example
5746 2:      3804/1195
5747         3.1832635983263598326
5748 4:      5359397032/1706489875
5749         3.1405970293260603143
5750 6:      38279241713339684/12184551018734375
5751         3.141621029325034425
5752 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5753         3.141591772182177295
5754 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5755         3.1415926824043995174
5756 @end example
5757
5758
5759 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5760 @c    node-name, next, previous, up
5761 @section Symmetrization
5762 @cindex @code{symmetrize()}
5763 @cindex @code{antisymmetrize()}
5764 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5765
5766 The three methods
5767
5768 @example
5769 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5770 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5771 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5772 @end example
5773
5774 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5775 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5776 weighted by the number of permutations.
5777
5778 The three additional methods
5779
5780 @example
5781 ex ex::symmetrize();
5782 ex ex::antisymmetrize();
5783 ex ex::symmetrize_cyclic();
5784 @end example
5785
5786 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5787
5788 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5789 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5790
5791 @example
5792 @{
5793     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5794     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5795                                            
5796     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5797      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5798     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5799      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5800     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5801      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5802 @}
5803 @end example
5804
5805 @page
5806
5807 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5808 @c    node-name, next, previous, up
5809 @section Predefined mathematical functions
5810 @c
5811 @subsection Overview
5812
5813 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5814
5815 @cartouche
5816 @multitable @columnfractions .30 .70
5817 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5818 @item @code{abs(x)}
5819 @tab absolute value
5820 @cindex @code{abs()}
5821 @item @code{step(x)}
5822 @tab step function
5823 @cindex @code{step()}
5824 @item @code{csgn(x)}
5825 @tab complex sign
5826 @cindex @code{conjugate()}
5827 @item @code{conjugate(x)}
5828 @tab complex conjugation
5829 @cindex @code{real_part()}
5830 @item @code{real_part(x)}
5831 @tab real part
5832 @cindex @code{imag_part()}
5833 @item @code{imag_part(x)}
5834 @tab imaginary part
5835 @item @code{sqrt(x)}
5836 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5837 @cindex @code{sqrt()}
5838 @item @code{sin(x)}
5839 @tab sine
5840 @cindex @code{sin()}
5841 @item @code{cos(x)}
5842 @tab cosine
5843 @cindex @code{cos()}
5844 @item @code{tan(x)}
5845 @tab tangent
5846 @cindex @code{tan()}
5847 @item @code{asin(x)}
5848 @tab inverse sine
5849 @cindex @code{asin()}
5850 @item @code{acos(x)}
5851 @tab inverse cosine
5852 @cindex @code{acos()}
5853 @item @code{atan(x)}
5854 @tab inverse tangent
5855 @cindex @code{atan()}
5856 @item @code{atan2(y, x)}
5857 @tab inverse tangent with two arguments
5858 @item @code{sinh(x)}
5859 @tab hyperbolic sine
5860 @cindex @code{sinh()}
5861 @item @code{cosh(x)}
5862 @tab hyperbolic cosine
5863 @cindex @code{cosh()}
5864 @item @code{tanh(x)}
5865 @tab hyperbolic tangent
5866 @cindex @code{tanh()}
5867 @item @code{asinh(x)}
5868 @tab inverse hyperbolic sine
5869 @cindex @code{asinh()}
5870 @item @code{acosh(x)}
5871 @tab inverse hyperbolic cosine
5872 @cindex @code{acosh()}
5873 @item @code{atanh(x)}
5874 @tab inverse hyperbolic tangent
5875 @cindex @code{atanh()}
5876 @item @code{exp(x)}
5877 @tab exponential function
5878 @cindex @code{exp()}
5879 @item @code{log(x)}
5880 @tab natural logarithm
5881 @cindex @code{log()}
5882 @item @code{eta(x,y)}
5883 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5884 @cindex @code{eta()}
5885 @item @code{Li2(x)}
5886 @tab dilogarithm
5887 @cindex @code{Li2()}
5888 @item @code{Li(m, x)}
5889 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5890 @cindex @code{Li()}
5891 @item @code{G(a, y)}
5892 @tab multiple polylogarithm
5893 @cindex @code{G()}
5894 @item @code{G(a, s, y)}
5895 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5896 @cindex @code{G()}
5897 @item @code{S(n, p, x)}
5898 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5899 @cindex @code{S()}
5900 @item @code{H(m, x)}
5901 @tab harmonic polylogarithm
5902 @cindex @code{H()}
5903 @item @code{zeta(m)}
5904 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5905 @cindex @code{zeta()}
5906 @item @code{zeta(m, s)}
5907 @tab alternating Euler sum
5908 @cindex @code{zeta()}
5909 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5910 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5911 @item @code{tgamma(x)}
5912 @tab gamma function
5913 @cindex @code{tgamma()}
5914 @cindex gamma function
5915 @item @code{lgamma(x)}
5916 @tab logarithm of gamma function
5917 @cindex @code{lgamma()}
5918 @item @code{beta(x, y)}
5919 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5920 @cindex @code{beta()}
5921 @item @code{psi(x)}
5922 @tab psi (digamma) function
5923 @cindex @code{psi()}
5924 @item @code{psi(n, x)}
5925 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5926 @item @code{factorial(n)}
5927 @tab factorial function @math{n!}
5928 @cindex @code{factorial()}
5929 @item @code{binomial(n, k)}
5930 @tab binomial coefficients
5931 @cindex @code{binomial()}
5932 @item @code{Order(x)}
5933 @tab order term function in truncated power series
5934 @cindex @code{Order()}
5935 @end multitable
5936 @end cartouche
5937
5938 @cindex branch cut
5939 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5940 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5941 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5942 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5943 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5944 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5945 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5946 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5947 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5948 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5949 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5950 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5951 counter clockwise direction.
5952
5953 @c
5954 @subsection Expanding functions
5955 @cindex expand trancedent functions
5956 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5957 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5958 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5959 @tex
5960 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5961 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5962 @end tex
5963 @ifnottex
5964 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5965 @end ifnottex
5966 or
5967 @tex
5968 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5969 @end tex
5970 @ifnottex
5971 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5972 @end ifnottex
5973 (for positive
5974 @tex
5975 $c,\ d$
5976 @end tex
5977 @ifnottex
5978 @command{c, d}
5979 @end ifnottex
5980 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5981 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5982 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
5983 usage and interaction can be seen from the following example:
5984 @example
5985 @{
5986         symbol x("x"),  y("y");
5987         ex e=exp(pow(x+y,2));
5988         cout << e.expand() << endl;
5989         // -> exp((x+y)^2)
5990         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
5991         // -> exp((x+y)^2)
5992         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
5993         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
5994         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
5995                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
5996         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
5997 @}
5998 @end example
5999 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
6000 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
6001 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
6002 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
6003 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
6004 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
6005
6006 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
6007 @c    node-name, next, previous, up
6008 @subsection Multiple polylogarithms
6009
6010 @cindex polylogarithm
6011 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6012 @cindex harmonic polylogarithm
6013 @cindex multiple zeta value
6014 @cindex alternating Euler sum
6015 @cindex multiple polylogarithm
6016
6017 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6018 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6019 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6020 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6021 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6022 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6023 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6024 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6025 notations are more natural to the series representation or the integral
6026 representation, respectively.
6027
6028 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6029 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6030 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6031
6032 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6033 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6034 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6035 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6036 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6037 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6038 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6039 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6040 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6041 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6042 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6043
6044 The functions print in LaTeX format as
6045 @tex
6046 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6047 @end tex
6048 @tex
6049 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6050 @end tex
6051 @tex
6052 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6053 @end tex
6054 @tex
6055 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6056 @end tex
6057 @ifnottex
6058 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6059 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6060 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6061 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6062 @end ifnottex
6063 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6064 are printed with a line above, e.g.
6065 @tex
6066 $\zeta(5,\overline{2})$.
6067 @end tex
6068 @ifnottex
6069 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6070 @end ifnottex
6071 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6072
6073 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6074 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6075 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6076 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6077
6078 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6079 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6080 the series representation. This means
6081 @tex
6082 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6083 @end tex
6084 @tex
6085 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6086 @end tex
6087 @tex
6088 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6089 @end tex
6090 @ifnottex
6091 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6092 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6093 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6094 @end ifnottex
6095 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6096 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6097
6098 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6099 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6100 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6101 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6102 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6103 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6104 @tex
6105 $\zeta(\overline{3},4)$
6106 @end tex
6107 @ifnottex
6108 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6109 @end ifnottex
6110 and
6111 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6112 @tex
6113 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6114 @end tex
6115 @ifnottex
6116 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6117 @end ifnottex
6118 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6119 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6120 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
6121 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6122 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6123 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6124 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6125
6126 @example
6127 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6128 S(2,2,x)
6129 > H(@{-3,2@},1);
6130 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6131 > S(3,1,1);
6132 1/90*Pi^4
6133 @end example
6134
6135 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6136 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6137 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6138 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6139 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6140 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6141
6142 @example
6143 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6144 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6145 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6146 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6147 @end example
6148
6149 Every function can be numerically evaluated for
6150 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6151 global variable @code{Digits}:
6152
6153 @example
6154 > Digits=100;
6155 100
6156 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6157 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6158 @end example
6159
6160 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6161 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6162
6163 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6164 unevaluated, e.g.
6165 @tex
6166 $\zeta(1)$.
6167 @end tex
6168 @ifnottex
6169 @command{zeta(1)}.
6170 @end ifnottex
6171 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6172 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6173 cancellations of divergencies happen.
6174
6175 Useful publications:
6176
6177 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6178 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6179
6180 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6181 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6182
6183 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6184 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6185
6186 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6187 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6188
6189 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6190 @c    node-name, next, previous, up
6191 @section Complex expressions
6192 @c
6193 @cindex @code{conjugate()}
6194
6195 For dealing with complex expressions there are the methods
6196
6197 @example
6198 ex ex::conjugate();
6199 ex ex::real_part();
6200 ex ex::imag_part();
6201 @end example
6202
6203 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6204 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6205 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6206 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6207 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6208 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6209 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6210 (symbols are complex by default), one could not simplify
6211 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6212 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6213
6214 For example,
6215 @example
6216 @{
6217     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6218     symbol x("x");
6219     realsymbol y("y");
6220                                            
6221     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6222      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6223     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6224      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6225 @}
6226 @end example
6227
6228 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6229 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6230 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6231 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6232 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6233 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6234 parts of user-defined functions.
6235
6236 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6237 @c    node-name, next, previous, up
6238 @section Solving linear systems of equations
6239 @cindex @code{lsolve()}
6240
6241 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6242 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6243 needs to be solved:
6244
6245 @example
6246 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6247           unsigned options = solve_algo::automatic);
6248 @end example
6249
6250 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6251 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6252 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6253 @code{lst}).
6254
6255 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6256 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6257
6258 @example
6259 @{
6260     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6261     lst eqns = @{a*x+b*y==3, x-y==b@};
6262     lst vars = @{x, y@};
6263     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6264      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6265 @end example
6266
6267 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6268 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6269 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6270 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6271 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6272 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6273 around that method.
6274
6275
6276 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6277 @c    node-name, next, previous, up
6278 @section Input and output of expressions
6279 @cindex I/O
6280
6281 @subsection Expression output
6282 @cindex printing
6283 @cindex output of expressions
6284
6285 Expressions can simply be written to any stream:
6286
6287 @example
6288 @{
6289     symbol x("x");
6290     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6291     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6292     // ...
6293 @end example
6294
6295 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6296 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6297 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6298 is printed as @samp{x^2}).
6299
6300 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6301 a set of stream manipulators;
6302
6303 @example
6304 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6305 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6306 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6307 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6308 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6309 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6310 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6311 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6312 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6313 @end example
6314
6315 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6316 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6317 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6318
6319 @cindex @code{dflt}
6320 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6321 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6322
6323 @example
6324     // ...
6325     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6326                               // now on
6327     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6328     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6329     cout << dflt;             // revert to default output format
6330     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6331     // ...
6332 @end example
6333
6334 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6335 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6336
6337 @example
6338     // ...
6339     ostringstream s;
6340     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6341     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6342     // ...
6343 @end example
6344
6345 @anchor{csrc printing}
6346 @cindex @code{csrc}
6347 @cindex @code{csrc_float}
6348 @cindex @code{csrc_double}
6349 @cindex @code{csrc_cl_N}
6350 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6351 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6352 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6353 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6354 classes provided by the CLN library):
6355
6356 @example
6357     // ...
6358     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6359     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6360     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6361     // ...
6362 @end example
6363
6364 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6365 @code{x*x}):
6366
6367 @example
6368 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6369 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6370 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6371 @end example
6372
6373 @cindex @code{tree}
6374 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6375 expression for debugging purposes:
6376
6377 @example
6378     // ...
6379     cout << tree << e;
6380 @}
6381 @end example
6382
6383 produces
6384
6385 @example
6386 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6387     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6388         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6389         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6390     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6391     -----
6392     overall_coeff
6393     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6394     =====
6395 @end example
6396
6397 @cindex @code{latex}
6398 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6399 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6400 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6401 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6402 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6403 constructor.
6404
6405 For example, the code snippet
6406
6407 @example
6408 @{
6409     symbol x("x", "\\circ");
6410     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6411     cout << latex << e << endl;
6412 @}
6413 @end example
6414
6415 will print
6416
6417 @example
6418     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6419     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6420 @end example
6421
6422 @cindex @code{index_dimensions}
6423 @cindex @code{no_index_dimensions}
6424 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6425 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6426 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6427 formats:
6428
6429 @example
6430 @{
6431     symbol x("x"), y("y");
6432     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6433     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6434
6435     cout << e << endl;
6436      // prints 'x~mu*y~nu'
6437     cout << index_dimensions << e << endl;
6438      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6439     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6440      // prints 'x~mu*y~nu'
6441 @}
6442 @end example
6443
6444
6445 @cindex Tree traversal
6446 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6447 with other algebra systems or for producing code for different
6448 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6449
6450 @example
6451 static void my_print(const ex & e)
6452 @{
6453     if (is_a<function>(e))
6454         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6455     else
6456         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6457     cout << "(";
6458     size_t n = e.nops();
6459     if (n)
6460         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6461             my_print(e.op(i));
6462             if (i != n-1)
6463                 cout << ",";
6464         @}
6465     else
6466         cout << e;
6467     cout << ")";
6468 @}
6469
6470 int main()
6471 @{
6472     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6473     return 0;
6474 @}
6475 @end example
6476
6477 This will produce
6478
6479 @example
6480 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6481 symbol(y))),numeric(-2)))
6482 @end example
6483
6484 If you need an output format that makes it possible to accurately
6485 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6486 object factory, you should consider storing the expression in an
6487 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6488 See the section on archiving for more information.
6489
6490
6491 @subsection Expression input
6492 @cindex input of expressions
6493
6494 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6495 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6496 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6497 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6498 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6499
6500 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6501 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6502
6503 @example
6504 @{
6505     symbol x, y;
6506     symtab table;
6507     table["x"] = x;
6508     table["y"] = y;
6509     parser reader(table);
6510     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6511 @}
6512 @end example
6513
6514 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6515 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6516 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6517 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6518 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6519 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6520
6521 @example
6522 @{
6523     symbol x, y;
6524     symtab table;
6525     table["x"] = x+log(y)+1;
6526     parser reader(table);
6527     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6528     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6529 @}
6530 @end example
6531
6532 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6533 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6534 with @code{get_syms()} method:
6535
6536 @example
6537 @{
6538     parser reader;
6539     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6540     symtab table = reader.get_syms();
6541     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6542     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6543 @}
6544 @end example
6545
6546 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6547 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6548
6549 @example
6550 @{
6551         symtab table;
6552         table["x"] = symbol();
6553         parser reader(table);
6554         parser.strict = true;
6555         ex e;
6556         try @{
6557                 e = reader("2*x+sin(y)");
6558         @} catch (parse_error& err) @{
6559                 cerr << err.what() << endl;
6560                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6561         @}
6562 @}
6563 @end example
6564
6565 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6566 When running the following program interactively, remember to send an
6567 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6568
6569 @example
6570 #include <iostream>
6571 #include <string>
6572 #include <stdexcept>
6573 #include <ginac/ginac.h>
6574 using namespace std;
6575 using namespace GiNaC;
6576
6577 int main()
6578 @{
6579         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6580         parser reader;
6581
6582         try @{
6583                 ex e = reader(cin);
6584                 symtab table = reader.get_syms();
6585                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6586                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6587                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6588                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6589         @} catch (exception &p) @{
6590                 cerr << p.what() << endl;
6591         @}
6592 @}
6593 @end example
6594
6595 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6596 @cindex compiling expressions
6597
6598 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6599 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6600 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6601 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6602 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6603 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6604 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6605 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6606 the numerical evaluation into different execution stages.
6607
6608 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6609 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6610 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6611 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6612 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6613 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6614
6615 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6616
6617 @example
6618     // ...
6619     symbol x("x");
6620     ex myexpr = sin(x) / x;
6621
6622     FUNCP_1P fp;
6623     compile_ex(myexpr, x, fp);
6624
6625     cout << fp(3.2) << endl;
6626     // ...
6627 @end example
6628
6629 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6630 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6631 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6632 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6633
6634 @cindex FUNCP_1P
6635 @cindex FUNCP_2P
6636 @cindex FUNCP_CUBA
6637 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6638 pointer types at the moment:
6639
6640 @example
6641     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6642     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6643     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6644 @end example
6645
6646 @cindex CUBA library
6647 @cindex Monte Carlo integration
6648 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6649 the correct type to be used with the CUBA library
6650 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6651 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6652
6653 @cindex compile_ex
6654 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6655
6656 @example
6657     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6658                     const std::string filename = "");
6659     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6660                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6661     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6662                     const std::string filename = "");
6663 @end example
6664
6665 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6666 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6667 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6668 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6669 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6670 deleted.
6671
6672 @cindex link_ex
6673 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6674 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6675 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6676 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6677 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6678 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6679 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6680
6681 @example
6682     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6683     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6684     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6685 @end example
6686
6687 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6688 to be supplied.
6689
6690 The function
6691
6692 @cindex unlink_ex
6693 @example
6694     void unlink_ex(const std::string filename);
6695 @end example
6696
6697 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6698 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6699 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6700 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6701
6702 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6703 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6704 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6705 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6706 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6707 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6708 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6709 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6710
6711 @cindex ginac-excompiler
6712 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6713 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6714 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6715 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6716 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6717
6718 @example
6719 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6720 compile_ex(...);
6721 @end example
6722
6723 @subsection Archiving
6724 @cindex @code{archive} (class)
6725 @cindex archiving
6726
6727 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6728 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6729 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6730 expression a unique name:
6731
6732 @example
6733 #include <fstream>
6734 using namespace std;
6735 #include <ginac/ginac.h>
6736 using namespace GiNaC;
6737
6738 int main()
6739 @{
6740     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6741
6742     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6743     ex bar = foo + 1;
6744
6745     archive a;
6746     a.archive_ex(foo, "foo");
6747     a.archive_ex(bar, "the second one");
6748     // ...
6749 @end example
6750
6751 The archive can then be written to a file:
6752
6753 @example
6754     // ...
6755     ofstream out("foobar.gar", ios::binary);
6756     out << a;
6757     out.close();
6758     // ...
6759 @end example
6760
6761 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6762 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}. The flag
6763 @code{ios::binary} prevents locales setting of your OS tampers the
6764 archive file structure.
6765
6766 @cindex @command{viewgar}
6767 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6768 the contents of GiNaC archive files:
6769
6770 @example
6771 $ viewgar foobar.gar
6772 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6773 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6774 @end example
6775
6776 The point of writing archive files is of course that they can later be
6777 read in again:
6778
6779 @example
6780     // ...
6781     archive a2;
6782     ifstream in("foobar.gar", ios::binary);
6783     in >> a2;
6784     // ...
6785 @end example
6786
6787 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6788
6789 @example
6790     // ...
6791     lst syms = @{x, y@};
6792
6793     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6794     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6795
6796     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6797     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6798     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6799 @}
6800 @end example
6801
6802 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6803 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6804 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6805 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6806 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6807 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6808 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6809 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6810
6811 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6812 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6813 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6814 functions that let you access the stored properties:
6815
6816 @example
6817 static void my_print2(const archive_node & n)
6818 @{
6819     string class_name;
6820     n.find_string("class", class_name);
6821     cout << class_name << "(";
6822
6823     archive_node::propinfovector p;
6824     n.get_properties(p);
6825
6826     size_t num = p.size();
6827     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6828         const string &name = p[i].name;
6829         if (name == "class")
6830             continue;
6831         cout << name << "=";
6832
6833         unsigned count = p[i].count;
6834         if (count > 1)
6835             cout << "@{";
6836
6837         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6838             switch (p[i].type) @{
6839                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6840                     bool x;
6841                     n.find_bool(name, x, j);
6842                     cout << (x ? "true" : "false");
6843                     break;
6844                 @}
6845                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6846                     unsigned x;
6847                     n.find_unsigned(name, x, j);
6848                     cout << x;
6849                     break;
6850                 @}
6851                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6852                     string x;
6853                     n.find_string(name, x, j);
6854                     cout << '\"' << x << '\"';
6855                     break;
6856                 @}
6857                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6858                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6859                     my_print2(x);
6860                     break;
6861                 @}
6862             @}
6863
6864             if (j != count-1)
6865                 cout << ",";
6866         @}
6867
6868         if (count > 1)
6869             cout << "@}";
6870
6871         if (i != num-1)
6872             cout << ",";
6873     @}
6874
6875     cout << ")";
6876 @}
6877
6878 int main()
6879 @{
6880     ex e = pow(2, x) - y;
6881     archive ar(e, "e");
6882     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6883     return 0;
6884 @}
6885 @end example
6886
6887 This will produce:
6888
6889 @example
6890 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6891 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6892 overall_coeff=numeric(number="0"))
6893 @end example
6894
6895 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6896 class may change between GiNaC versions.
6897
6898
6899 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6900 @c    node-name, next, previous, up
6901 @chapter Extending GiNaC
6902
6903 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6904 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6905 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6906 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6907 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6908 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6909
6910 @menu
6911 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6912 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6913 * Printing::                         Adding new output formats.
6914 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6915 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6916 @end menu
6917
6918
6919 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6920 @c    node-name, next, previous, up
6921 @section What doesn't belong into GiNaC
6922
6923 @cindex @command{ginsh}
6924 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6925 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6926 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6927 language.  There are no loops or conditional expressions in
6928 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6929 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6930 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6931 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6932 the future.
6933
6934 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6935 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6936 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6937 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6938 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6939 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6940 provided by CLN are much better suited.
6941
6942
6943 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6944 @c    node-name, next, previous, up
6945 @section Symbolic functions
6946
6947 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6948 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6949 two preprocessor macros:
6950
6951 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6952 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6953 @example
6954 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6955 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6956 @end example
6957
6958 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6959 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6960 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6961 @code{function} object that represents your function.
6962
6963 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6964 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6965 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6966 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6967 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6968 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6969 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6970 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6971
6972 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6973 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6974 done our best to avoid macros where we can.)
6975
6976 @subsection A minimal example
6977
6978 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6979 that is not further evaluated:
6980
6981 @example
6982 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6983
6984 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6985 @end example
6986
6987 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6988 in algebraic expressions:
6989
6990 @example
6991 @{
6992     ...
6993     symbol x("x");
6994     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6995     cout << e << endl;
6996      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6997     ...
6998 @}
6999 @end example
7000
7001 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
7002 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
7003 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
7004 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
7005
7006 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
7007 example of how to make an "intelligent" function.
7008
7009 @subsection The cosine function
7010
7011 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7012
7013 @example
7014 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7015 @end example
7016
7017 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7018 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7019 this function in expressions.
7020
7021 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7022 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7023
7024 @example
7025 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7026                        evalf_func(cos_evalf).
7027                        derivative_func(cos_deriv).
7028                        latex_name("\\cos"));
7029 @end example
7030
7031 There are four options defined for the cosine function. One of them
7032 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7033 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7034 function are defined.
7035
7036 @cindex @code{hold()}
7037 @cindex evaluation
7038 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7039 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7040 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7041 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7042 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7043 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7044 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7045 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7046 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7047 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7048 somewhere.
7049
7050 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7051 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7052 what is going on):
7053
7054 @example
7055 static ex cos_eval(const ex & x)
7056 @{
7057     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7058         return 1;
7059     else if ("x is a multiple of Pi")
7060         return -1;
7061     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7062         return 0;
7063     // more rules...
7064
7065     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7066         return y;
7067     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7068         return sqrt(1-y^2);
7069     // more rules...
7070
7071     else
7072         return cos(x).hold();
7073 @}
7074 @end example
7075
7076 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7077
7078 @example
7079 @{
7080     ...
7081     e = cos(Pi);
7082      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7083      // the actual expression
7084     cout << e << endl;
7085      // prints '-1'
7086     ...
7087 @}
7088 @end example
7089
7090 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7091 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7092 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7093 with @code{.hold()}.
7094
7095 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7096 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7097 different function:
7098
7099 @example
7100 static ex cos_evalf(const ex & x)
7101 @{
7102     if (is_a<numeric>(x))
7103         return cos(ex_to<numeric>(x));
7104     else
7105         return cos(x).hold();
7106 @}
7107 @end example
7108
7109 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7110 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7111 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7112 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7113 function would require it in this place.
7114
7115 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7116 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7117 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7118 @code{ex::diff}):
7119
7120 @example
7121 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7122 @{
7123     return -sin(x);
7124 @}
7125 @end example
7126
7127 @cindex product rule
7128 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7129 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7130 case the function has more than one parameter, and its main application
7131 is for correct handling of the chain rule.
7132
7133 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7134 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7135 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7136
7137 @example
7138 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7139 @{
7140         return Order(arg.diff(s));
7141 @}
7142 @end example
7143
7144 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7145 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7146 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7147 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7148 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7149 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7150 @code{derivative_func}. 
7151
7152 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7153 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7154 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7155 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7156
7157 @example
7158 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7159                      int order, unsigned options)
7160 @{
7161     // Find the actual expansion point
7162     const ex x_pt = x.subs(rel);
7163
7164     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7165         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7166
7167     // On a pole, expand sin()/cos()
7168     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7169 @}
7170 @end example
7171
7172 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7173 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7174
7175 @subsection Function options
7176
7177 GiNaC functions understand several more options which are always
7178 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7179 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7180 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7181 functions without any special options.
7182
7183 @example
7184 eval_func(<C++ function>)
7185 evalf_func(<C++ function>)
7186 derivative_func(<C++ function>)
7187 expl_derivative_func(<C++ function>)
7188 series_func(<C++ function>)
7189 conjugate_func(<C++ function>)
7190 @end example
7191
7192 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7193 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7194 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7195 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7196
7197 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7198 automatic evaluation is desired or possible.
7199
7200 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7201 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7202 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7203 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7204 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7205 suitable transformation.
7206
7207 @example
7208 latex_name(const string & n)
7209 @end example
7210
7211 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7212 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7213
7214 @example
7215 do_not_evalf_params()
7216 @end example
7217
7218 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7219 function before calling the @code{evalf_func()}.
7220
7221 @example
7222 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7223 @end example
7224
7225 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7226 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7227 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7228 @code{return_type_t} created like
7229
7230 @example
7231 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7232 @end example
7233
7234 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7235 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7236 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7237 @code{make_return_type_t<>()} 
7238
7239 @example
7240 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7241 @end example
7242
7243 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7244 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7245 details).
7246
7247 @example
7248 set_symmetry(const symmetry & s)
7249 @end example
7250
7251 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7252 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7253 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7254 symmetric functions into a canonical order.
7255
7256 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7257 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7258 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7259 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7260 with the
7261
7262 @example
7263 print_func<C>(<C++ function>)
7264 @end example
7265
7266 option which is explained in the next section.
7267
7268 @subsection Functions with a variable number of arguments
7269
7270 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7271 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7272 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7273 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7274 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7275
7276 It is also possible to define functions that accept a different number of
7277 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7278 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7279 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7280 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7281 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7282 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7283 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7284 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7285
7286
7287 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7288 @c    node-name, next, previous, up
7289 @section GiNaC's expression output system
7290
7291 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7292 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7293 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7294 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7295 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7296 functions.
7297
7298 @cindex @code{print_context} (class)
7299 @cindex @code{print_dflt} (class)
7300 @cindex @code{print_latex} (class)
7301 @cindex @code{print_tree} (class)
7302 @cindex @code{print_csrc} (class)
7303 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7304 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7305 header file:
7306
7307 @table @code
7308 @item print_dflt
7309 the default output format
7310 @item print_latex
7311 output in LaTeX mathematical mode
7312 @item print_tree
7313 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7314 @item print_csrc
7315 the base class for C source output
7316 @item print_csrc_float
7317 C source output using the @code{float} type
7318 @item print_csrc_double
7319 C source output using the @code{double} type
7320 @item print_csrc_cl_N
7321 C source output using CLN types
7322 @end table
7323
7324 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7325
7326 @example
7327 class print_context
7328 @{
7329     ...
7330 public:
7331     std::ostream & s;
7332     unsigned options;
7333 @};
7334 @end example
7335
7336 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7337 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7338 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7339 to print the index dimension which is normally hidden.
7340
7341 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7342 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7343 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7344 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7345
7346 @cindex @code{print()}
7347 @example
7348 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7349 @end example
7350
7351 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7352 top-level algebraic object contained in the expression.
7353
7354 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7355 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7356 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7357 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7358 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7359 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7360 (single) virtual function dispatch.
7361
7362 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7363 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7364 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7365 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7366 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7367 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7368 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7369 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7370 object's class name enclosed in square brackets).
7371
7372 You can think of the print methods of all the different classes and output
7373 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7374 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7375 classes.
7376
7377 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7378 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7379 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7380 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7381 methods at run-time).
7382
7383 @subsection Print methods for classes
7384
7385 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7386 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7387 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7388 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7389 can also be used to override existing methods dynamically.
7390
7391 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7392 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7393 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7394 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7395 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7396 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7397 the class is the one being implemented by
7398 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7399
7400 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7401 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7402 @code{unsigned}.
7403
7404 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7405 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7406 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7407 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7408 private and protected members of @code{T}.
7409
7410 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7411 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7412 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7413 purposes if you write your own output formats.
7414
7415 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7416 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7417 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7418 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7419
7420 @example
7421 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7422                              const print_latex & c,
7423                              unsigned level)
7424 @{
7425     // get the precedence of the 'power' class
7426     unsigned power_prec = p.precedence();
7427
7428     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7429     // we need parentheses around the power
7430     if (level >= power_prec)
7431         c.s << '(';
7432
7433     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7434     // separated by an uparrow
7435     c.s << '@{';
7436     p.op(0).print(c, power_prec);
7437     c.s << "@}\\uparrow@{";
7438     p.op(1).print(c, power_prec);
7439     c.s << '@}';
7440
7441     // don't forget the closing parenthesis
7442     if (level >= power_prec)
7443         c.s << ')';
7444 @}
7445                                                                                 
7446 int main()
7447 @{
7448     // a sample expression
7449     symbol x("x"), y("y");
7450     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7451
7452     // switch to LaTeX mode
7453     cout << latex;
7454
7455     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7456     cout << e << endl;
7457
7458     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7459     // our own one
7460     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7461
7462     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7463     //              \uparrow@{2@}@}"
7464     cout << e << endl;
7465 @}
7466 @end example
7467
7468 Some notes:
7469
7470 @itemize
7471
7472 @item
7473 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7474 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7475
7476 @item
7477 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7478 @code{power} objects for the purpose of printing.
7479
7480 @item
7481 The output of products including negative powers as fractions is also
7482 controlled by the @code{mul} class.
7483
7484 @item
7485 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7486 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7487
7488 @end itemize
7489
7490 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7491 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7492 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7493 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7494 sources, find the method that is installed at startup
7495 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7496 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7497
7498 @subsection Print methods for functions
7499
7500 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7501 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7502 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7503 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7504 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7505
7506 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7507
7508 @example
7509 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7510 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7511                                                                                 
7512 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7513 @{
7514     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7515 @}
7516                                                                                 
7517 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7518 @{
7519     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7520 @}
7521                                                                                 
7522 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7523                        evalf_func(abs_evalf).
7524                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7525                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7526                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7527 @end example
7528
7529 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7530 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7531
7532 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7533
7534 @subsection Adding new output formats
7535
7536 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7537 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7538 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7539 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7540 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7541 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7542 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7543 options value.
7544
7545 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7546
7547 @example
7548 class print_myformat : public print_dflt
7549 @{
7550     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7551 public:
7552     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7553      : print_dflt(os, opt) @{@}
7554 @};
7555
7556 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7557
7558 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7559 @end example
7560
7561 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7562 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7563 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7564 format are implemented as print methods, as described above.
7565
7566 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7567 exactly like GiNaC's default output format:
7568
7569 @example
7570 @{
7571     symbol x("x");
7572     ex e = pow(x, 2) + 1;
7573
7574     // this prints "1+x^2"
7575     cout << e << endl;
7576     
7577     // this also prints "1+x^2"
7578     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7579
7580     ...
7581 @}
7582 @end example
7583
7584 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7585 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7586
7587 @example
7588 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7589 // example above for explanations.
7590 void print_power_as_myformat(const power & p,
7591                              const print_myformat & c,
7592                              unsigned level)
7593 @{
7594     unsigned power_prec = p.precedence();
7595     if (level >= power_prec)
7596         c.s << '(';
7597     p.op(0).print(c, power_prec);
7598     c.s << "**";
7599     p.op(1).print(c, power_prec);
7600     if (level >= power_prec)
7601         c.s << ')';
7602 @}
7603
7604 @{
7605     ...
7606     // install a new print method for power objects
7607     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7608
7609     // now this prints "1+x**2"
7610     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7611
7612     // but the default format is still "1+x^2"
7613     cout << e << endl;
7614 @}
7615 @end example
7616
7617
7618 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7619 @c    node-name, next, previous, up
7620 @section Structures
7621
7622 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7623 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7624 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7625 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7626 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7627
7628 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7629 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7630 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7631 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7632 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7633 read both sections because many common concepts and member functions are
7634 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7635 is most suited to your needs.
7636
7637 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7638 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7639 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7640
7641 @subsection Example: scalar products
7642
7643 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7644 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7645 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7646 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7647 product in a C++ @code{struct}:
7648
7649 @example
7650 #include <iostream>
7651 using namespace std;
7652
7653 #include <ginac/ginac.h>
7654 using namespace GiNaC;
7655
7656 struct sprod_s @{
7657     ex left, right;
7658
7659     sprod_s() @{@}
7660     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7661 @};
7662 @end example
7663
7664 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7665 data structure, we need only one line:
7666
7667 @example
7668 typedef structure<sprod_s> sprod;
7669 @end example
7670
7671 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7672 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7673 expressions like any other GiNaC class:
7674
7675 @example
7676 ...
7677     symbol a("a"), b("b");
7678     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7679 ...
7680 @end example
7681
7682 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7683 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7684 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7685 constructed from an @code{sprod_s} object.
7686
7687 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7688 you could define a little wrapper function like this:
7689
7690 @example
7691 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7692 @{
7693     return sprod(sprod_s(left, right));
7694 @}
7695 @end example
7696
7697 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7698 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7699 @code{get_struct()}:
7700
7701 @example
7702 ...
7703     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7704      // -> a
7705     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7706      // -> b
7707 ...
7708 @end example
7709
7710 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7711
7712 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7713 that deal with scalar products, for example:
7714
7715 @example
7716 ex swap_sprod(ex p)
7717 @{
7718     if (is_a<sprod>(p)) @{
7719         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7720         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7721     @} else
7722         return p;
7723 @}
7724
7725 ...
7726     f = swap_sprod(e);
7727      // f is now <b|a>
7728 ...
7729 @end example
7730
7731 @subsection Structure output
7732
7733 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7734 desired, most notably proper output:
7735
7736 @example
7737 ...
7738     cout << e << endl;
7739      // -> [structure object]
7740 ...
7741 @end example
7742
7743 By default, any structure types you define will be printed as
7744 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7745 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7746 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7747 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7748 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7749 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7750
7751 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7752 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7753
7754 @example
7755 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7756 @{
7757     // tree debug output handled by superclass
7758     if (is_a<print_tree>(c))
7759         inherited::print(c, level);
7760
7761     // get the contained sprod_s object
7762     const sprod_s & sp = get_struct();
7763
7764     // print_context::s is a reference to an ostream
7765     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7766 @}
7767 @end example
7768
7769 Now we can print expressions containing scalar products:
7770
7771 @example
7772 ...
7773     cout << e << endl;
7774      // -> <a|b>
7775     cout << swap_sprod(e) << endl;
7776      // -> <b|a>
7777 ...
7778 @end example
7779
7780 @subsection Comparing structures
7781
7782 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7783 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7784 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7785 and undesired behavior:
7786
7787 @example
7788 ...
7789     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7790      // -> 0
7791     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7792      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7793 ...
7794 @end example
7795
7796 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7797 for objects of type @code{sprod_s}:
7798
7799 @example
7800 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7801 @{
7802     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7803 @}
7804
7805 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7806 @{
7807     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7808            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7809 @}
7810 @end example
7811
7812 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7813 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7814 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7815 in the implementation of these operators because they would construct
7816 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7817 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7818 decide which one is algebraically 'less').
7819
7820 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7821 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7822
7823 @example
7824 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7825 @end example
7826
7827 @code{sprod} objects then behave as expected:
7828
7829 @example
7830 ...
7831     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7832      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7833     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7834      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7835     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7836      // -> 0
7837     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7838      // -> 2*<a|b>
7839 ...
7840 @end example
7841
7842 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7843 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7844 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7845 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7846 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7847 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7848
7849 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7850 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7851 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7852 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7853 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7854 undefined value) that the @code{T} class might have.
7855
7856 @subsection Subexpressions
7857
7858 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7859 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7860 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7861
7862 @example
7863 size_t sprod::nops() const
7864 @{
7865     return 2;
7866 @}
7867
7868 ex sprod::op(size_t i) const
7869 @{
7870     switch (i) @{
7871     case 0:
7872         return get_struct().left;
7873     case 1:
7874         return get_struct().right;
7875     default:
7876         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7877     @}
7878 @}
7879 @end example
7880
7881 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7882 @code{sprod} has two other nice side effects:
7883
7884 @itemize @bullet
7885 @item
7886 @code{has()} works as expected
7887 @item
7888 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7889 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7890 @end itemize
7891
7892 @cindex @code{let_op()}
7893 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7894 allows replacing subexpressions:
7895
7896 @example
7897 ex & sprod::let_op(size_t i)
7898 @{
7899     // every non-const member function must call this
7900     ensure_if_modifiable();
7901
7902     switch (i) @{
7903     case 0:
7904         return get_struct().left;
7905     case 1:
7906         return get_struct().right;
7907     default:
7908         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7909     @}
7910 @}
7911 @end example
7912
7913 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7914 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7915 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7916 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7917
7918 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7919 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7920 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7921 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7922 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7923 This is left as an exercise for the reader.
7924
7925 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7926 you can override by specialization to customize the behavior of your
7927 structures. You are referred to the next section for a description of
7928 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7929 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7930 @code{structure<T>} template: archiving.
7931
7932 @subsection Archiving structures
7933
7934 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7935 should first read the next section and then come back here. You're back?
7936 Good.
7937
7938 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7939 specializations for the @code{archive()} member function and the
7940 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7941 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7942 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7943 the class of an object is stored as a string, the class name.
7944
7945 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7946 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7947 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7948 need to provide a different name for each by specializing the
7949 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7950 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7951
7952 @example
7953 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7954
7955 void sprod::archive(archive_node & n) const
7956 @{
7957     inherited::archive(n);
7958     n.add_ex("left", get_struct().left);
7959     n.add_ex("right", get_struct().right);
7960 @}
7961
7962 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7963 @{
7964     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7965     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7966 @}
7967 @end example
7968
7969 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7970 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7971 @code{sprod::unarchive()} function.
7972
7973
7974 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7975 @c    node-name, next, previous, up
7976 @section Adding classes
7977
7978 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7979 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7980 severe of which being that you can't add any new member functions to
7981 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7982 from scratch.
7983
7984 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7985 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7986 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7987 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7988 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7989 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7990 representing tensor products is more involved but this section should give
7991 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7992 classes if you want to implement something more complicated.
7993
7994 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7995
7996 @cindex hierarchy of classes
7997 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7998 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7999 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
8000 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
8001 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
8002 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
8003 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
8004 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
8005 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
8006 in @file{registrar.h}):
8007 @itemize @bullet
8008 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
8009 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
8010 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8011 @end itemize
8012
8013 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8014 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8015 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8016 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8017 the opening brace of the class definition.
8018
8019 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8020 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8021 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8022 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8023 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8024
8025 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8026 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8027 options, such as custom printing functions.
8028
8029 @subsection A minimalistic example
8030
8031 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8032 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8033 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8034 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8035 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8036 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8037
8038 The code snippets given here assume that you have included some header files
8039 as follows:
8040
8041 @example
8042 #include <iostream>
8043 #include <string>   
8044 #include <stdexcept>
8045 using namespace std;
8046
8047 #include <ginac/ginac.h>
8048 using namespace GiNaC;
8049 @end example
8050
8051 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8052 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8053 object from a string:
8054
8055 @example
8056 class mystring : public basic
8057 @{
8058     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8059   
8060 public:
8061     mystring(const string & s);
8062
8063 private:
8064     string str;
8065 @};
8066
8067 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8068 @end example
8069
8070 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8071 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8072 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8073 of a class so that printing and (un)archiving works.
8074
8075 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8076 class:
8077
8078 @itemize
8079
8080 @item
8081 @code{mystring()}, the default constructor.
8082
8083 @item
8084 @cindex @code{compare_same_type()}
8085 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8086 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8087 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8088 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8089 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8090 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8091 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8092 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8093 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8094 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8095 defined.
8096
8097 @item
8098 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8099 we declared.
8100
8101 @end itemize
8102
8103 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8104
8105 @example
8106 mystring::mystring() @{ @}
8107 @end example
8108
8109 In the default constructor you should set all other member variables to
8110 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8111 member gets set to an empty string automatically).
8112
8113 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8114 the string members:
8115
8116 @example
8117 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8118 @{
8119     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8120     int cmpval = str.compare(o.str);
8121     if (cmpval == 0)
8122         return 0;
8123     else if (cmpval < 0)
8124         return -1;
8125     else
8126         return 1;
8127 @}
8128 @end example
8129
8130 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8131 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8132 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8133 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8134 all relevant member variables.
8135
8136 Now the only thing missing is our constructor:
8137
8138 @example
8139 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8140 @end example
8141
8142 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8143
8144 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8145 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8146
8147 @example
8148 ex e = mystring("Hello, world!");
8149 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8150  // -> 1 (true)
8151
8152 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8153  // -> mystring
8154 @end example
8155
8156 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8157
8158 @example
8159 cout << e << endl;
8160  // -> [mystring object]
8161 @end example
8162
8163 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8164 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8165 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8166 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8167 surrounded by double quotes:
8168
8169 @example
8170 class mystring : public basic
8171 @{
8172     ...
8173 protected:
8174     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8175     ...
8176 @};
8177
8178 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8179 @{
8180     // print_context::s is a reference to an ostream
8181     c.s << '\"' << str << '\"';
8182 @}
8183 @end example
8184
8185 The @code{level} argument is only required for container classes to
8186 correctly parenthesize the output.
8187
8188 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8189 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8190 replace the line
8191
8192 @example
8193 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8194 @end example
8195
8196 with
8197
8198 @example
8199 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8200   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8201 @end example
8202
8203 Let's try again to print the expression:
8204
8205 @example
8206 cout << e << endl;
8207  // -> "Hello, world!"
8208 @end example
8209
8210 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8211 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8212 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8213 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8214 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8215 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8216 way expression output is implemented in GiNaC.
8217
8218 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8219
8220 @example
8221 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8222 cout << e << endl;
8223  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8224 @end example
8225
8226 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8227
8228 @example
8229 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8230 cout << e << endl;
8231  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8232 @end example
8233
8234 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8235 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8236 for your objects.
8237
8238 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8239
8240 @example
8241 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8242 cout << e << endl;
8243  // -> "Wow"^2
8244
8245 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8246 cout << e.expand() << endl;
8247  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8248 @end example
8249
8250 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8251 concatenation. You would have to implement this yourself.
8252
8253 @subsection Automatic evaluation
8254
8255 @cindex evaluation
8256 @cindex @code{eval()}
8257 @cindex @code{hold()}
8258 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8259 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8260 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8261 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8262 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8263 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8264
8265 @example
8266 class mystring : public basic
8267 @{
8268     ...
8269 public:
8270     ex eval() const override;
8271     ...
8272 @};
8273
8274 ex mystring::eval() const
8275 @{
8276     string new_str;
8277     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8278         char c = str[i];
8279         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8280             new_str += tolower(c);
8281         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8282             new_str += c;
8283     @}
8284
8285     if (new_str.length() == 0)
8286         return 0;
8287
8288     return mystring(new_str).hold();
8289 @}
8290 @end example
8291
8292 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8293 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8294 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8295
8296 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8297 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8298 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8299 with this.
8300
8301 Let's confirm that it works:
8302
8303 @example
8304 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8305 cout << e << endl;
8306  // -> "helloworld"
8307
8308 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8309 cout << e << endl;
8310  // -> 3*"wow"
8311 @end example
8312
8313 @subsection Optional member functions
8314
8315 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8316 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8317 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8318
8319 @cindex @code{calchash()}
8320 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8321 @example
8322 unsigned calchash() const override;
8323 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8324 @end example
8325
8326 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8327 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8328 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8329 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8330 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8331 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8332
8333 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8334 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8335 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8336 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8337
8338 @subsection Other member functions
8339
8340 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8341 might want to provide:
8342
8343 @example
8344 bool info(unsigned inf) const override;
8345 ex evalf() const override;
8346 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8347 ex derivative(const symbol & s) const override;
8348 @end example
8349
8350 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8351 previous section) you will probably want to override
8352
8353 @cindex @code{let_op()}
8354 @example
8355 size_t nops() const override;
8356 ex op(size_t i) const override;
8357 ex & let_op(size_t i) override;
8358 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8359 ex map(map_function & f) const override;
8360 @end example
8361
8362 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8363 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8364 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8365
8366 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8367 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8368 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8369 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8370 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8371 should become a need.
8372
8373 That's it. May the source be with you!
8374
8375 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8376
8377 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8378 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8379 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8380
8381 @example
8382 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8383 @end example
8384
8385 needs to be rewritten as
8386
8387 @example
8388 myclass::myclass() @{@}
8389 @end example
8390
8391 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8392 @c    node-name, next, previous, up
8393 @chapter A Comparison With Other CAS
8394 @cindex advocacy
8395
8396 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8397 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8398 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8399 disadvantages over these systems.
8400
8401 @menu
8402 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8403 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8404 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8405 @end menu
8406
8407 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8408 @c    node-name, next, previous, up
8409 @section Advantages
8410
8411 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8412 Algebra Systems, like 
8413
8414 @itemize @bullet
8415
8416 @item
8417 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8418 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8419 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8420 in common C++, which is standardized.
8421
8422 @cindex STL
8423 @item
8424 structured data types: you can build up structured data types using
8425 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8426 using unnamed lists of lists of lists.
8427
8428 @item
8429 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8430 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8431 nice for novice programmers, but dangerous.
8432     
8433 @item
8434 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8435 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8436 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8437
8438 @item
8439 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8440 separating interface and implementation.
8441
8442 @item
8443 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8444 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8445 C++-compilers for free, too.
8446     
8447 @item
8448 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8449 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8450 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8451 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8452 fix bugs in a traditional system.
8453
8454 @item
8455 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8456 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8457 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8458 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8459 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8460 all, of GiNaC's types to a command line.
8461
8462 @item
8463 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8464 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8465 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8466 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8467 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8468 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8469 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8470 system (i.e. @emph{Yacas}).
8471
8472 @item
8473 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8474 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8475 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8476 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8477 speed with other CAS.
8478
8479 @end itemize
8480
8481
8482 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8483 @c    node-name, next, previous, up
8484 @section Disadvantages
8485
8486 Of course it also has some disadvantages:
8487
8488 @itemize @bullet
8489
8490 @item
8491 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8492 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8493 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8494 respect to mathematical features.  Integration, 
8495 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8496 not planned for the near future).
8497
8498 @item
8499 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8500 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8501 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8502 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8503 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8504 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8505 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8506 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8507 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8508 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8509 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8510 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8511 literally.
8512     
8513 @end itemize
8514
8515
8516 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8517 @c    node-name, next, previous, up
8518 @section Why C++?
8519
8520 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8521 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8522 possible), separation between interface and implementation is not
8523 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8524 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8525 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8526 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8527 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8528 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8529 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8530 any other programming language.
8531
8532
8533 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8534 @c    node-name, next, previous, up
8535 @appendix Internal structures
8536
8537 @menu
8538 * Expressions are reference counted::
8539 * Internal representation of products and sums::
8540 @end menu
8541
8542 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8543 @c    node-name, next, previous, up
8544 @appendixsection Expressions are reference counted
8545
8546 @cindex reference counting
8547 @cindex copy-on-write
8548 @cindex garbage collection
8549 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8550 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8551 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8552 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8553 skip the rest of this passage.
8554
8555 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8556 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8557 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8558 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8559 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8560 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8561 of code:
8562
8563 @example
8564 #include <iostream>
8565 #include <ginac/ginac.h>
8566 using namespace std;
8567 using namespace GiNaC;
8568
8569 int main()
8570 @{
8571     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8572     ex e1, e2;
8573
8574     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8575     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8576     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8577     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8578     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8579 @}
8580 @end example
8581
8582 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8583 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8584 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8585 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8586 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8587 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8588 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8589 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8590 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8591 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8592 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8593 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8594 can be:
8595
8596 @example
8597 @{
8598     symbol x("x"), y("y");
8599
8600     ex e1 = x + 3*y;
8601     ex e2 = pow(e1, 3);
8602     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8603     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8604          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8605          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8606 @}
8607 @end example
8608
8609 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8610 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8611 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8612 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8613 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8614 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8615 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8616 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8617 @code{3*e1^2}.
8618
8619 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8620 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8621 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8622 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8623 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8624 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8625 semantics, we recommend you have a look at the
8626 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8627 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8628 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8629
8630
8631 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8632 @c    node-name, next, previous, up
8633 @appendixsection Internal representation of products and sums
8634
8635 @cindex representation
8636 @cindex @code{add}
8637 @cindex @code{mul}
8638 @cindex @code{power}
8639 Although it should be completely transparent for the user of
8640 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8641 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8642 unexpanded symbolic expression 
8643 @tex
8644 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8645 @end tex
8646 @ifnottex
8647 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8648 @end ifnottex
8649 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8650 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8651 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8652 fashion:
8653
8654 @ifnotinfo
8655 @image{repnaive}
8656 @end ifnotinfo
8657 @ifinfo
8658 <PICTURE MISSING>
8659 @end ifinfo
8660
8661 @cindex pair-wise representation
8662 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8663 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8664 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8665 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8666 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8667 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8668 becomes much more flat:
8669
8670 @ifnotinfo
8671 @image{reppair}
8672 @end ifnotinfo
8673 @ifinfo
8674 <PICTURE MISSING>
8675 @end ifinfo
8676
8677 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8678 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8679 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8680 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8681 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8682 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8683 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8684 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8685 representation, however, since they are still carrying a trivial
8686 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8687 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8688 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8689 representation for
8690 @tex
8691 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8692 @end tex
8693 @ifnottex
8694 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8695 @end ifnottex
8696
8697 @ifnotinfo
8698 @image{repreal}
8699 @end ifnotinfo
8700 @ifinfo
8701 <PICTURE MISSING>
8702 @end ifinfo
8703
8704 @cindex radical
8705 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8706 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8707 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8708 same abstract class: the data representation is the same, only the
8709 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8710 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8711 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8712
8713
8714 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8715 @c    node-name, next, previous, up
8716 @appendix Package tools
8717
8718 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8719 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8720 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8721 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8722 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8723 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8724 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8725 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8726 @example
8727 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8728 @end example
8729
8730 This command line might expand to (for example):
8731 @example
8732 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8733 @end example
8734
8735 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8736 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8737
8738 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8739 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8740 checking for libraries
8741
8742 @example
8743 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8744                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8745                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8746 @end example
8747
8748 This macro:
8749
8750 @itemize @bullet
8751
8752 @item
8753 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8754 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8755 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8756
8757 @item
8758 Tests the installed libraries to make sure that their version
8759 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8760
8761 @item
8762 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8763 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8764 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8765 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8766 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8767
8768 @item
8769 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8770
8771 @end itemize
8772
8773 @menu
8774 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8775 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8776 @end menu
8777
8778
8779 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8780 @c    node-name, next, previous, up
8781 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8782
8783 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8784 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8785 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8786 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8787 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8788
8789 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8790 system.
8791
8792 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8793 the linkers where to find the library one should
8794
8795 @itemize @bullet
8796 @item
8797 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8798 @example
8799 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8800 # ldconfig
8801 @end example
8802
8803 @item
8804 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8805 @example
8806 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8807 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8808 @end example
8809
8810 @item
8811 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8812 for instance:
8813
8814 @example
8815 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8816 @end example
8817 @end itemize
8818
8819 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8820 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8821 @example
8822 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8823 @end example
8824
8825 Finally, run the @command{configure} script
8826 @example
8827 $ ./configure 
8828 @end example
8829
8830 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8831
8832 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8833 @c    node-name, next, previous, up
8834 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8835
8836 The following shows how to build a simple package using automake
8837 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8838
8839 @example
8840 #include <iostream>
8841 #include <ginac/ginac.h>
8842
8843 int main()
8844 @{
8845     GiNaC::symbol x("x");
8846     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8847     std::cout << "Derivative of " << a 
8848               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8849     return 0;
8850 @}
8851 @end example
8852
8853 You should first read the introductory portions of the automake
8854 Manual, if you are not already familiar with it.
8855
8856 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8857 configure script:
8858
8859 @example
8860 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8861 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8862 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8863 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8864
8865 AC_PROG_CXX
8866 AC_PROG_INSTALL
8867 AC_LANG([C++])
8868
8869 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8870
8871 AC_OUTPUT(Makefile)
8872 @end example
8873
8874 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8875 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8876 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8877 @example
8878 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8879
8880 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8881
8882 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8883 installed software in a non-standard prefix.
8884
8885 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8886 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8887 See the pkg-config man page for more details.
8888 @end example
8889
8890 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8891
8892 @example
8893 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8894 bin_PROGRAMS = simple
8895 simple_SOURCES = simple.cpp
8896 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8897 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8898 @end example
8899
8900 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8901 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8902 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8903 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8904 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8905 basis.
8906
8907 To try this example out, create a new directory and add the three
8908 files above to it.
8909
8910 Now execute the following command:
8911
8912 @example
8913 $ autoreconf -i
8914 @end example
8915
8916 You now have a package that can be built in the normal fashion
8917
8918 @example
8919 $ ./configure
8920 $ make
8921 $ make install
8922 @end example
8923
8924
8925 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8926 @c    node-name, next, previous, up
8927 @appendix Bibliography
8928
8929 @itemize @minus{}
8930
8931 @item
8932 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
8933
8934 @item
8935 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8936
8937 @item
8938 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8939
8940 @item
8941 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8942
8943 @item
8944 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8945 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8946
8947 @item
8948 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8949 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8950 Academic Press, London
8951
8952 @item
8953 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8954 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8955
8956 @item
8957 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8958 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8959
8960 @item
8961 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8962 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8963
8964 @item
8965 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8966
8967 @end itemize
8968
8969
8970 @node Concept index, , Bibliography, Top
8971 @c    node-name, next, previous, up
8972 @unnumbered Concept index
8973
8974 @printindex cp
8975
8976 @bye