]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Documentation for generalized clifford algebra.
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2004 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2004 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
606 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
607 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
608
609 @example
610 $ make html
611 $ make dvi
612 $ make ps
613 $ make pdf
614 @end example
615
616 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
617 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
618 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
619 @var{target} there in case something went wrong.
620
621
622 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
623 @c    node-name, next, previous, up
624 @section Installing GiNaC
625 @cindex installation
626
627 To install GiNaC on your system, simply type
628
629 @example
630 $ make install
631 @end example
632
633 As described in the section about configuration the files will be
634 installed in the following directories (the directories will be created
635 if they don't already exist):
636
637 @itemize @bullet
638
639 @item
640 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
641 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
642 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
643 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
644 will be established as well.
645
646 @item
647 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
648 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
649
650 @item
651 All documentation (info) will be stuffed into
652 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
653 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
654
655 @end itemize
656
657 For the sake of completeness we will list some other useful make
658 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
659 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
660 distclean} removes all files generated by the configuration and
661 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
662 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
663 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
664 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
665 work after you have called @command{make distclean} since the
666 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
667 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
668 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
669 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
670 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
671 do it by hand since you now know where all the files went during
672 installation.}.
673
674
675 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
676 @c    node-name, next, previous, up
677 @chapter Basic Concepts
678
679 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
680 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
681 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
682 meta-class for storing all mathematical objects.
683
684 @menu
685 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
686 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
687 * Error handling::               How the library reports errors.
688 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
689 * Symbols::                      Symbolic objects.
690 * Numbers::                      Numerical objects.
691 * Constants::                    Pre-defined constants.
692 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
693 * Lists::                        Lists of expressions.
694 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
695 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
696 * Integrals::                    Symbolic integrals.
697 * Matrices::                     Matrices.
698 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
699 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
700 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
701 @end menu
702
703
704 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
705 @c    node-name, next, previous, up
706 @section Expressions
707 @cindex expression (class @code{ex})
708 @cindex @code{has()}
709
710 The most common class of objects a user deals with is the expression
711 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
712 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
713 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
714 little collection of valid expressions:
715
716 @example
717 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
718 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
719 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
720 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
721 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
722 @end example
723
724 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
725 contain other expressions thus creating a tree of expressions
726 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
727 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
728 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
729 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
730 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
731 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
732
733 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
734 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
735 @code{ex}.
736
737 @subsection Note: Expressions and STL containers
738
739 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
740 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
741 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
742 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
743
744 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
745 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
746 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
747 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
748 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
749
750 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
751 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
752
753 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
754 expressions.
755
756
757 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
758 @c    node-name, next, previous, up
759 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
760 @cindex evaluation
761
762 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
763 them and put them into a canonical form. Some examples:
764
765 @example
766 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
767 ex MyEx2 = x - x;        // 0
768 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
769 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
770 @end example
771
772 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
773 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
774
775 @itemize @bullet
776 @item
777 at most of complexity
778 @tex
779 $O(n\log n)$
780 @end tex
781 @ifnottex
782 @math{O(n log n)}
783 @end ifnottex
784 @item
785 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
786 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
787 @end itemize
788
789 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
790 behave in an entirely obvious way at first glance:
791
792 @itemize
793 @item
794 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
795 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
796 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
797 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
798 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
799 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
800 canonical form.
801 @item
802 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
803 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
804 example
805 @example
806 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
807 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
808 @end example
809 @end itemize
810
811 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
812 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
813 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
814 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
815 some immediate simplifications.
816
817 @cindex @code{eval()}
818 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
819
820 @example
821 ex ex::eval(int level = 0) const;
822 ex basic::eval(int level = 0) const;
823 @end example
824
825 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
826 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
827 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
828 re-evaluate their results.
829
830
831 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
832 @c    node-name, next, previous, up
833 @section Error handling
834 @cindex exceptions
835 @cindex @code{pole_error} (class)
836
837 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
838 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
839 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
840 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
841 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
842 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
843 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
844 at a singularity.
845
846 The @code{pole_error} class has a member function
847
848 @example
849 int pole_error::degree() const;
850 @end example
851
852 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
853 logarithmic or the order is undefined).
854
855 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
856 the main program even if you don't want to do any special error handling.
857 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
858 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
859 usually only aborts the program without giving any information what went
860 wrong.
861
862 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
863 exceptions generated by GiNaC:
864
865 @example
866 #include <iostream>
867 #include <stdexcept>
868 #include <ginac/ginac.h>
869 using namespace std;
870 using namespace GiNaC;
871
872 int main()
873 @{
874     try @{
875         ...
876         // code using GiNaC
877         ...
878     @} catch (exception &p) @{
879         cerr << p.what() << endl;
880         return 1;
881     @}
882     return 0;
883 @}
884 @end example
885
886
887 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
888 @c    node-name, next, previous, up
889 @section The Class Hierarchy
890
891 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
892 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
893 helpers) are internally derived from one abstract base class called
894 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
895 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
896 containers of expressions and so on.
897
898 @cindex container
899 @cindex atom
900 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
901 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
902 some of the relations among the classes:
903
904 @image{classhierarchy}
905
906 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
907 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
908 duplication if two or more classes derived from them share certain
909 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
910 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
911 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
912 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
913 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
914 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
915 are stored in the different classes:
916
917 @cartouche
918 @multitable @columnfractions .22 .78
919 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
920 @item @code{constant} @tab Constants like 
921 @tex
922 $\pi$
923 @end tex
924 @ifnottex
925 @math{Pi}
926 @end ifnottex
927 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
928 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
929 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
930 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
931 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
932 @tex
933 $\sqrt{2}$
934 @end tex
935 @ifnottex
936 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
937 @end ifnottex
938 @dots{}
939 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
940 @item @code{function} @tab A symbolic function like
941 @tex
942 $\sin 2x$
943 @end tex
944 @ifnottex
945 @math{sin(2*x)}
946 @end ifnottex
947 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
948 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
949 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
950 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
951 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
952 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
953 @item @code{varidx} @tab Index with variance
954 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
955 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
956 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
957 @end multitable
958 @end cartouche
959
960
961 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
962 @c    node-name, next, previous, up
963 @section Symbols
964 @cindex @code{symbol} (class)
965 @cindex hierarchy of classes
966
967 @cindex atom
968 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
969 manipulation what atoms are for chemistry.
970
971 A typical symbol definition looks like this:
972 @example
973 symbol x("x");
974 @end example
975
976 This definition actually contains three very different things:
977 @itemize
978 @item a C++ variable named @code{x}
979 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
980   represents the symbol in a GiNaC expression
981 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
982   exclusively for printing expressions holding the symbol
983 @end itemize
984
985 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
986 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
987 throws them away during compilation.
988
989 It is possible to omit the symbol name in the definition:
990 @example
991 symbol x;
992 @end example
993
994 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
995 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
996 the output of your calculations will become more readable if you give your
997 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
998 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
999
1000 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1001 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1002 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1003 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1004 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1005 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1006 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1007 indeterminate.
1008
1009 Observe:
1010 @example
1011 ex f(int n)
1012 @{
1013     symbol x("x");
1014     return pow(x, n);
1015 @}
1016
1017 int main()
1018 @{
1019     symbol x("x");
1020     ex e = f(6);
1021
1022     cout << e << endl;
1023      // prints "x^6" which looks right, but...
1024
1025     cout << e.degree(x) << endl;
1026      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1027      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1028      // prints "0".
1029 @}
1030 @end example
1031
1032 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1033 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1034 @example
1035 ex f(int n, const ex & x)
1036 @{
1037     return pow(x, n);
1038 @}
1039
1040 int main()
1041 @{
1042     symbol x("x");
1043
1044     // Now, f() uses the same symbol.
1045     ex e = f(6, x);
1046
1047     cout << e.degree(x) << endl;
1048      // prints "6", as expected
1049 @}
1050 @end example
1051
1052 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1053 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1054 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1055 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1056 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1057 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1058 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1059 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1060 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1061 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1062 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1063
1064 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1065 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1066 like this one:
1067 @example
1068 const symbol & get_symbol(const string & s)
1069 @{
1070     static map<string, symbol> directory;
1071     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1072     if (i != directory.end())
1073         return i->second;
1074     else
1075         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1076 @}
1077 @end example
1078
1079 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1080 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1081 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1082 this:
1083 @example
1084 ex f(int n)
1085 @{
1086     return pow(get_symbol("x"), n);
1087 @}
1088
1089 int main()
1090 @{
1091     ex e = f(6);
1092
1093     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1094     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1095      // prints "6"
1096 @}
1097 @end example
1098
1099 Instead of creating symbols from strings we could also have
1100 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1101 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1102 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1103 @code{ostringstream}.
1104
1105 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1106 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1107 definitions.
1108
1109 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1110 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1111 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1112 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1113
1114 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1115 in LaTeX output:
1116 @example
1117 symbol x("x", "\\Box");
1118 @end example
1119
1120 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1121 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1122 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1123 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1124 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1125
1126 @cindex @code{subs()}
1127 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1128 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1129 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1130 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1131 (@pxref{Substituting Expressions}).
1132
1133 @cindex @code{realsymbol()}
1134 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1135 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1136 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1137 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1138 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1139 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1140 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1141 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1142 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1143
1144
1145 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1146 @c    node-name, next, previous, up
1147 @section Numbers
1148 @cindex @code{numeric} (class)
1149
1150 @cindex GMP
1151 @cindex CLN
1152 @cindex rational
1153 @cindex fraction
1154 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1155 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1156 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1157 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1158 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1159 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1160 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1161 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1162 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1163 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1164 several useful things: First, it introduces the complex number field
1165 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1166 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1167 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1168 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1169 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1170 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1171 calculation of some useful constants.
1172
1173 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1174 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1175 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1176 integers, construction from C-float and construction from a string:
1177
1178 @example
1179 #include <iostream>
1180 #include <ginac/ginac.h>
1181 using namespace GiNaC;
1182
1183 int main()
1184 @{
1185     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1186     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1187     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1188     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1189     // Trott's constant in scientific notation:
1190     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1191     
1192     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1193     ...
1194 @end example
1195
1196 @cindex @code{I}
1197 @cindex complex numbers
1198 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1199 name @code{I}:
1200
1201 @example
1202     ...
1203     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1204     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1205 @}
1206 @end example
1207
1208 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1209 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1210 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1211 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1212 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1213 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1214 also.
1215
1216 @cindex @code{Digits}
1217 @cindex accuracy
1218 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1219 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1220 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1221 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1222 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1223 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1224 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1225 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1226 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1227 digits:
1228
1229 @example
1230 #include <iostream>
1231 #include <ginac/ginac.h>
1232 using namespace std;
1233 using namespace GiNaC;
1234
1235 void foo()
1236 @{
1237     numeric three(3.0), one(1.0);
1238     numeric x = one/three;
1239
1240     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1241     cout << x << endl;
1242     cout << Pi.evalf() << endl;
1243 @}
1244
1245 int main()
1246 @{
1247     foo();
1248     Digits = 60;
1249     foo();
1250     return 0;
1251 @}
1252 @end example
1253
1254 The above example prints the following output to screen:
1255
1256 @example
1257 in 17 digits:
1258 0.33333333333333333334
1259 3.1415926535897932385
1260 in 60 digits:
1261 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1262 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1263 @end example
1264
1265 @cindex rounding
1266 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1267 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1268 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1269 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1270 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1271 architectures with different word size, the above output might even
1272 differ with regard to actually computed digits.
1273
1274 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1275 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1276 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1277
1278 @subsection Tests on numbers
1279
1280 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1281 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1282 kind of information from them like asking whether that number is
1283 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1284 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1285 certain CLN functions.)
1286
1287 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1288 some multiple of its denominator and test what comes out:
1289
1290 @example
1291 #include <iostream>
1292 #include <ginac/ginac.h>
1293 using namespace std;
1294 using namespace GiNaC;
1295
1296 // some very important constants:
1297 const numeric twentyone(21);
1298 const numeric ten(10);
1299 const numeric five(5);
1300
1301 int main()
1302 @{
1303     numeric answer = twentyone;
1304
1305     answer /= five;
1306     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1307     answer *= ten;
1308     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1309 @}
1310 @end example
1311
1312 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1313 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1314 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1315 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1316 the result is automatically converted to a pure integer again.
1317 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1318 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1319 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1320 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1321 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1322 can be applied is listed in the following table.
1323
1324 @cartouche
1325 @multitable @columnfractions .30 .70
1326 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1327 @item @code{.is_zero()}
1328 @tab @dots{}equal to zero
1329 @item @code{.is_positive()}
1330 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1331 @item @code{.is_integer()}
1332 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1333 @item @code{.is_pos_integer()}
1334 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1335 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1336 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1337 @item @code{.is_even()}
1338 @tab @dots{}an even integer
1339 @item @code{.is_odd()}
1340 @tab @dots{}an odd integer
1341 @item @code{.is_prime()}
1342 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1343 @item @code{.is_rational()}
1344 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1345 @item @code{.is_real()}
1346 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1347 @item @code{.is_cinteger()}
1348 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1349 @item @code{.is_crational()}
1350 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1351 @end multitable
1352 @end cartouche
1353
1354 @subsection Numeric functions
1355
1356 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1357 evaluated immediately:
1358
1359 @cartouche
1360 @multitable @columnfractions .30 .70
1361 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1362 @item @code{inverse(z)}
1363 @tab returns @math{1/z}
1364 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1365 @item @code{pow(a, b)}
1366 @tab exponentiation @math{a^b}
1367 @item @code{abs(z)}
1368 @tab absolute value
1369 @item @code{real(z)}
1370 @tab real part
1371 @cindex @code{real()}
1372 @item @code{imag(z)}
1373 @tab imaginary part
1374 @cindex @code{imag()}
1375 @item @code{csgn(z)}
1376 @tab complex sign (returns an @code{int})
1377 @item @code{numer(z)}
1378 @tab numerator of rational or complex rational number
1379 @item @code{denom(z)}
1380 @tab denominator of rational or complex rational number
1381 @item @code{sqrt(z)}
1382 @tab square root
1383 @item @code{isqrt(n)}
1384 @tab integer square root
1385 @cindex @code{isqrt()}
1386 @item @code{sin(z)}
1387 @tab sine
1388 @item @code{cos(z)}
1389 @tab cosine
1390 @item @code{tan(z)}
1391 @tab tangent
1392 @item @code{asin(z)}
1393 @tab inverse sine
1394 @item @code{acos(z)}
1395 @tab inverse cosine
1396 @item @code{atan(z)}
1397 @tab inverse tangent
1398 @item @code{atan(y, x)}
1399 @tab inverse tangent with two arguments
1400 @item @code{sinh(z)}
1401 @tab hyperbolic sine
1402 @item @code{cosh(z)}
1403 @tab hyperbolic cosine
1404 @item @code{tanh(z)}
1405 @tab hyperbolic tangent
1406 @item @code{asinh(z)}
1407 @tab inverse hyperbolic sine
1408 @item @code{acosh(z)}
1409 @tab inverse hyperbolic cosine
1410 @item @code{atanh(z)}
1411 @tab inverse hyperbolic tangent
1412 @item @code{exp(z)}
1413 @tab exponential function
1414 @item @code{log(z)}
1415 @tab natural logarithm
1416 @item @code{Li2(z)}
1417 @tab dilogarithm
1418 @item @code{zeta(z)}
1419 @tab Riemann's zeta function
1420 @item @code{tgamma(z)}
1421 @tab gamma function
1422 @item @code{lgamma(z)}
1423 @tab logarithm of gamma function
1424 @item @code{psi(z)}
1425 @tab psi (digamma) function
1426 @item @code{psi(n, z)}
1427 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1428 @item @code{factorial(n)}
1429 @tab factorial function @math{n!}
1430 @item @code{doublefactorial(n)}
1431 @tab double factorial function @math{n!!}
1432 @cindex @code{doublefactorial()}
1433 @item @code{binomial(n, k)}
1434 @tab binomial coefficients
1435 @item @code{bernoulli(n)}
1436 @tab Bernoulli numbers
1437 @cindex @code{bernoulli()}
1438 @item @code{fibonacci(n)}
1439 @tab Fibonacci numbers
1440 @cindex @code{fibonacci()}
1441 @item @code{mod(a, b)}
1442 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1443 @cindex @code{mod()}
1444 @item @code{smod(a, b)}
1445 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1446 @cindex @code{smod()}
1447 @item @code{irem(a, b)}
1448 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1449 @cindex @code{irem()}
1450 @item @code{irem(a, b, q)}
1451 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1452 @item @code{iquo(a, b)}
1453 @tab integer quotient
1454 @cindex @code{iquo()}
1455 @item @code{iquo(a, b, r)}
1456 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1457 @item @code{gcd(a, b)}
1458 @tab greatest common divisor
1459 @item @code{lcm(a, b)}
1460 @tab least common multiple
1461 @end multitable
1462 @end cartouche
1463
1464 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1465 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1466 as polynomial algorithms.
1467
1468 @subsection Converting numbers
1469
1470 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1471 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1472 class provides a couple of methods for this purpose:
1473
1474 @cindex @code{to_int()}
1475 @cindex @code{to_long()}
1476 @cindex @code{to_double()}
1477 @cindex @code{to_cl_N()}
1478 @example
1479 int numeric::to_int() const;
1480 long numeric::to_long() const;
1481 double numeric::to_double() const;
1482 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1483 @end example
1484
1485 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1486 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1487 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1488 rational number will return a floating-point approximation. Both
1489 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1490 part of complex numbers.
1491
1492
1493 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1494 @c    node-name, next, previous, up
1495 @section Constants
1496 @cindex @code{constant} (class)
1497
1498 @cindex @code{Pi}
1499 @cindex @code{Catalan}
1500 @cindex @code{Euler}
1501 @cindex @code{evalf()}
1502 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1503 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1504
1505 The predefined known constants are:
1506
1507 @cartouche
1508 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1509 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1510 @item @code{Pi}
1511 @tab Archimedes' constant
1512 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1513 @item @code{Catalan}
1514 @tab Catalan's constant
1515 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1516 @item @code{Euler}
1517 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1518 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1519 @end multitable
1520 @end cartouche
1521
1522
1523 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1524 @c    node-name, next, previous, up
1525 @section Sums, products and powers
1526 @cindex polynomial
1527 @cindex @code{add}
1528 @cindex @code{mul}
1529 @cindex @code{power}
1530
1531 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1532 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1533 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1534 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1535 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1536 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1537 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1538 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1539
1540 @example
1541     ...
1542     symbol a("a"), b("b");
1543     ex MyTerm = 1+a*b;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @cindex @code{pow()}
1548 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1549 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1550 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1551 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1552 have several counterintuitive and undesired effects:
1553
1554 @itemize @bullet
1555 @item
1556 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1557 @item
1558 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1559 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1560 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1561 @item
1562 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1563 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1564 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1565 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1566 has requested @code{2^3}.)
1567 @end itemize
1568
1569 @cindex @command{ginsh}
1570 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1571 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1572 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1573 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1574 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1575 not exist at all in C++).
1576
1577 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1578 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1579 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1580 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1581 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1582 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1583 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1584 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1585 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1586 @code{x} negative.
1587
1588 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1589 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1590 and safe simplifications are carried out like transforming
1591 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1592
1593
1594 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1595 @c    node-name, next, previous, up
1596 @section Lists of expressions
1597 @cindex @code{lst} (class)
1598 @cindex lists
1599 @cindex @code{nops()}
1600 @cindex @code{op()}
1601 @cindex @code{append()}
1602 @cindex @code{prepend()}
1603 @cindex @code{remove_first()}
1604 @cindex @code{remove_last()}
1605 @cindex @code{remove_all()}
1606
1607 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1608 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1609 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1610 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1611 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1612
1613 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1614 expressions:
1615
1616 @example
1617 @{
1618     symbol x("x"), y("y");
1619     lst l;
1620     l = x, 2, y, x+y;
1621     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1622     // in that order
1623     ...
1624 @end example
1625
1626 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1627 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1628
1629 @example
1630     ...
1631     // This produces the same list 'l' as above:
1632     // lst l(x, 2, y, x+y);
1633     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1634     ...
1635 @end example
1636
1637 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1638 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1639 individual elements:
1640
1641 @example
1642     ...
1643     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1644     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1645     ...
1646 @end example
1647
1648 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1649 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1650 sequential access to the elements of a list is possible with the
1651 iterator types provided by the @code{lst} class:
1652
1653 @example
1654 typedef ... lst::const_iterator;
1655 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1656 lst::const_iterator lst::begin() const;
1657 lst::const_iterator lst::end() const;
1658 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1659 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1660 @end example
1661
1662 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1663
1664 @example
1665     ...
1666     // O(N)
1667     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1668         cout << *i << endl;
1669     ...
1670 @end example
1671
1672 which is one order faster than
1673
1674 @example
1675     ...
1676     // O(N^2)
1677     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1678         cout << l.op(i) << endl;
1679     ...
1680 @end example
1681
1682 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1683 the C++ standard library:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1688     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1689
1690     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1691     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1692     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1693     ...
1694 @end example
1695
1696 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1697 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1698
1699 @example
1700     ...
1701     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1702     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1703     ...
1704 @end example
1705
1706 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1707 and @code{prepend()} methods:
1708
1709 @example
1710     ...
1711     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1712     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1713     ...
1714 @end example
1715
1716 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1717 and @code{remove_last()}:
1718
1719 @example
1720     ...
1721     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1722     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1723     ...
1724 @end example
1725
1726 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.remove_all();     // l is now empty
1731     ...
1732 @end example
1733
1734 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     lst l1, l2;
1739     l1 = x, 2, y, x+y;
1740     l2 = 2, x+y, x, y;
1741     l1.sort();
1742     l2.sort();
1743     // l1 and l2 are now equal
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1748 elements with @code{unique()}:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     lst l3;
1753     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1754     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1755 @}
1756 @end example
1757
1758
1759 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1760 @c    node-name, next, previous, up
1761 @section Mathematical functions
1762 @cindex @code{function} (class)
1763 @cindex trigonometric function
1764 @cindex hyperbolic function
1765
1766 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1767 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1768 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1769
1770 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1771 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1772 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1773 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1774 the next example, showing how a function returns itself twice and
1775 finally an expression that may be really useful:
1776
1777 @cindex Gamma function
1778 @cindex @code{subs()}
1779 @example
1780     ...
1781     symbol x("x"), y("y");    
1782     ex foo = x+y/2;
1783     cout << tgamma(foo) << endl;
1784      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1785     ex bar = foo.subs(y==1);
1786     cout << tgamma(bar) << endl;
1787      // -> tgamma(x+1/2)
1788     ex foobar = bar.subs(x==7);
1789     cout << tgamma(foobar) << endl;
1790      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1791     ...
1792 @end example
1793
1794 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1795 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1796 this.
1797
1798 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1799 functions, where the argument list is templated.  This means that
1800 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1801 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1802 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1803 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1804 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1805 point number of class @code{numeric} you should call
1806 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1807 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1808 wrapped inside an @code{ex}.
1809
1810
1811 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1812 @c    node-name, next, previous, up
1813 @section Relations
1814 @cindex @code{relational} (class)
1815
1816 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1817 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1818 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1819 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1820 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1821 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1822
1823 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1824 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1825 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1826 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1827 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1828 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1829 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1830 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1831 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1832 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1833 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1834 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1835 @code{expand()} must be called explicitly.
1836
1837 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1838 @c    node-name, next, previous, up
1839 @section Integrals
1840 @cindex @code{integral} (class)
1841
1842 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1843 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1844 1, you would write this as
1845 @example
1846 integral(x, 0, 1, x*x)
1847 @end example
1848 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1849 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1850 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1851 can be evaluated symbolically by calling the
1852 @example
1853 .eval_integ()
1854 @end example
1855 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1856 @example
1857 .evalf()
1858 @end example
1859 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1860 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1861 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1862 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1863 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1864 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1865 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1866 integrals is determined by the static member variable
1867 @example
1868 ex integral::relative_integration_error
1869 @end example
1870 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1871 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1872 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1873 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1874 variable
1875 @example
1876 int integral::max_integration_level
1877 @end example
1878 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1879 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1880 evaluation, is also available as
1881 @example
1882 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1883 const ex & error)
1884 @end example
1885 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1886 last parameter of the function is optional and defaults to the
1887 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1888 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1889 a lookup table is used.
1890
1891 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1892 integration variable, the left boundary, right boundary and integrant by
1893 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1894 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1895 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1896 with respect to the integration variable.
1897
1898 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1899 @c    node-name, next, previous, up
1900 @section Matrices
1901 @cindex @code{matrix} (class)
1902
1903 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1904 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1905 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1906 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1907
1908 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1909 elements. The constructor
1910
1911 @example
1912 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1913 @end example
1914
1915 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1916 set to zero.
1917
1918 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1919 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1920 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1921
1922 @example
1923 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1924 @end example
1925
1926 The function
1927
1928 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1929 @example
1930 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1931 @end example
1932
1933 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1934
1935 There is also a set of functions for creating some special types of
1936 matrices:
1937
1938 @cindex @code{diag_matrix()}
1939 @cindex @code{unit_matrix()}
1940 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1941 @example
1942 ex diag_matrix(const lst & l);
1943 ex unit_matrix(unsigned x);
1944 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1945 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1946 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1947 @end example
1948
1949 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1950 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1951 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1952 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1953 and the position of each element in the matrix.
1954
1955 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1956 operator:
1957
1958 @example
1959 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1960 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1961 @end example
1962
1963 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1964 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1965 @samp{[]} is not available.
1966
1967 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1968
1969 @example
1970 @{
1971     symbol a("a"), b("b");
1972
1973     matrix M(2, 2);
1974     M = a, 0,
1975         0, b;
1976     cout << M << endl;
1977      // -> [[a,0],[0,b]]
1978
1979     matrix M2(2, 2);
1980     M2(0, 0) = a;
1981     M2(1, 1) = b;
1982     cout << M2 << endl;
1983      // -> [[a,0],[0,b]]
1984
1985     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1986      // -> [[a,0],[0,b]]
1987
1988     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1989      // -> [[a,0],[0,b]]
1990
1991     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1992      // -> [[a,0],[0,b]]
1993
1994     cout << unit_matrix(3) << endl;
1995      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1996
1997     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1998      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1999 @}
2000 @end example
2001
2002 @cindex @code{transpose()}
2003 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2004 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2005
2006 @example
2007 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2008 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2009 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2010 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2011 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2012 matrix matrix::transpose() const;
2013 @end example
2014
2015 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2016 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2017 and @math{C}:
2018
2019 @example
2020 @{
2021     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2022     A =  1, 2,
2023          3, 4;
2024     B = -1, 0,
2025          2, 1;
2026     C =  8, 4,
2027          2, 1;
2028
2029     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2030     cout << result << endl;
2031      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2032     ...
2033 @}
2034 @end example
2035
2036 @cindex @code{evalm()}
2037 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2038 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2039 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2040 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2041 method
2042
2043 @example
2044 ex ex::evalm() const;
2045 @end example
2046
2047 to obtain the result:
2048
2049 @example
2050 @{
2051     ...
2052     ex e = A*B - 2*C;
2053     cout << e << endl;
2054      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2055     cout << e.evalm() << endl;
2056      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2057     ...
2058 @}
2059 @end example
2060
2061 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2062 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2063 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2064 dealing with non-commutative expressions.
2065
2066 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2067 to perform the arithmetic:
2068
2069 @example
2070 @{
2071     ...
2072     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2073     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2074     cout << e << endl;
2075      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2076     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2077      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2078 @}
2079 @end example
2080
2081 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2082 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2083 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2084 more information about using matrices with indices, and about indices in
2085 general.
2086
2087 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2088 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2089
2090 @cindex @code{determinant()}
2091 @cindex @code{trace()}
2092 @cindex @code{charpoly()}
2093 @cindex @code{rank()}
2094 @example
2095 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2096 ex matrix::trace() const;
2097 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2098 unsigned matrix::rank() const;
2099 @end example
2100
2101 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2102 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2103 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2104 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2105 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2106 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2107 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2108 quickly.
2109
2110 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2111 @cindex @code{solve()}
2112 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2113 method and linear systems may be solved with:
2114
2115 @example
2116 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2117 @end example
2118
2119 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2120 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2121 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2122 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2123 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2124 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2125 overdetermined, an exception is thrown.
2126
2127
2128 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2129 @c    node-name, next, previous, up
2130 @section Indexed objects
2131
2132 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2133 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2134 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2135 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2136
2137 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2138 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2139 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2140 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2141
2142 @cindex @code{idx} (class)
2143 @cindex @code{indexed} (class)
2144 @subsection Indexed quantities and their indices
2145
2146 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2147 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2148
2149 @itemize @bullet
2150
2151 @cindex contravariant
2152 @cindex covariant
2153 @cindex variance
2154 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2155 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2156 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2157 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2158 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2159 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2160
2161 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2162 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2163 one or more indices.
2164
2165 @end itemize
2166
2167 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
2168 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2169 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2170 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2171 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2172 not visible in the output.
2173
2174 A simple example shall illustrate the concepts:
2175
2176 @example
2177 #include <iostream>
2178 #include <ginac/ginac.h>
2179 using namespace std;
2180 using namespace GiNaC;
2181
2182 int main()
2183 @{
2184     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2185     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2186
2187     symbol A("A");
2188     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2189      // -> A.i.j
2190     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2191      // -> A.i[3].j[3]
2192     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2193     ...
2194 @end example
2195
2196 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2197 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2198 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2199 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2200 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2201 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2202 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2203 @code{j}.
2204
2205 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2206 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2207 as shown above.
2208
2209 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2210 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2211 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2212 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2213 correct and will raise an exception:
2214
2215 @example
2216 symbol i("i"), j("j");
2217 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2218 @end example
2219
2220 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2221 be numeric, and index dimensions symbolic:
2222
2223 @example
2224     ...
2225     symbol B("B"), dim("dim");
2226     cout << 4 * indexed(A, i)
2227           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2228      // -> B.j.2.i+4*A.i
2229     ...
2230 @end example
2231
2232 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2233 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2234 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2235 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2236 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2237
2238 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2239 arbitrary expressions:
2240
2241 @example
2242     ...
2243     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2244      // -> (B+A).(1+2*i)
2245     ...
2246 @end example
2247
2248 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2249 get an error message from this but you will probably not be able to do
2250 anything useful with it.
2251
2252 @cindex @code{get_value()}
2253 @cindex @code{get_dimension()}
2254 The methods
2255
2256 @example
2257 ex idx::get_value();
2258 ex idx::get_dimension();
2259 @end example
2260
2261 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2262 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2263 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2264 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2265
2266 There are also the methods
2267
2268 @example
2269 bool idx::is_numeric();
2270 bool idx::is_symbolic();
2271 bool idx::is_dim_numeric();
2272 bool idx::is_dim_symbolic();
2273 @end example
2274
2275 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2276 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2277 About Expressions}) returns information about the index value.
2278
2279 @cindex @code{varidx} (class)
2280 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2281
2282 @example
2283     ...
2284     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2285     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2286     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2287
2288     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2289      // -> A~mu~nu
2290     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2291      // -> A.mu~nu
2292     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2293      // -> A.mu~nu
2294     ...
2295 @end example
2296
2297 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2298 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2299 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2300 constructor. The two methods
2301
2302 @example
2303 bool varidx::is_covariant();
2304 bool varidx::is_contravariant();
2305 @end example
2306
2307 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2308 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2309 method
2310
2311 @example
2312 ex varidx::toggle_variance();
2313 @end example
2314
2315 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2316 variance. By using it you only have to define the index once.
2317
2318 @cindex @code{spinidx} (class)
2319 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2320 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2321
2322 @example
2323     ...
2324     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2325     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2326                                             // contravariant, undotted
2327     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2328     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2329     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2330
2331     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2332      // -> K~C~D
2333     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2334      // -> K.C~*D
2335     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2336      // -> K.*D~D
2337     ...
2338 @end example
2339
2340 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2341 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2342 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2343 methods
2344
2345 @example
2346 bool spinidx::is_dotted();
2347 bool spinidx::is_undotted();
2348 @end example
2349
2350 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2351 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2352 Finally, the two methods
2353
2354 @example
2355 ex spinidx::toggle_dot();
2356 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2357 @end example
2358
2359 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2360 and the same or opposite variance.
2361
2362 @subsection Substituting indices
2363
2364 @cindex @code{subs()}
2365 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2366 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2367 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2368 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2369
2370 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2371 by another index or expression:
2372
2373 @example
2374     ...
2375     ex e = indexed(A, mu_co);
2376     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2377      // -> A.mu becomes A~nu
2378     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2379      // -> A.mu becomes A~0
2380     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2381      // -> A.mu becomes A.0
2382     ...
2383 @end example
2384
2385 The third example shows that trying to replace an index with something that
2386 is not an index will substitute the index value instead.
2387
2388 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2389 another expression:
2390
2391 @example
2392     ...
2393     ex e = indexed(A, mu_co);
2394     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2395      // -> A.mu becomes A.nu
2396     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2397      // -> A.mu becomes A.0
2398     ...
2399 @end example
2400
2401 As you see, with the second method only the value of the index will get
2402 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2403 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2404 whole index by another one with the new dimension.
2405
2406 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2407 expected:
2408
2409 @example
2410     ...
2411     ex e = indexed(A, mu_co);
2412     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2413      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2414     ...
2415 @end example
2416
2417 @subsection Symmetries
2418 @cindex @code{symmetry} (class)
2419 @cindex @code{sy_none()}
2420 @cindex @code{sy_symm()}
2421 @cindex @code{sy_anti()}
2422 @cindex @code{sy_cycl()}
2423
2424 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2425 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2426 that is constructed with the helper functions
2427
2428 @example
2429 symmetry sy_none(...);
2430 symmetry sy_symm(...);
2431 symmetry sy_anti(...);
2432 symmetry sy_cycl(...);
2433 @end example
2434
2435 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2436 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2437 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2438 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2439 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2440 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2441 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2442 all indices.
2443
2444 Here are some examples of symmetry definitions:
2445
2446 @example
2447     ...
2448     // No symmetry:
2449     e = indexed(A, i, j);
2450     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2451     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2452
2453     // Symmetric in all three indices:
2454     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2455     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2456     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2457                                                // different canonical order
2458
2459     // Symmetric in the first two indices only:
2460     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2461     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2462
2463     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2464     // be contiguous):
2465     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2466     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2467
2468     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2469     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2470     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2471     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2472
2473     // Cyclic symmetry in all three indices:
2474     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2475     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2476
2477     // The following examples are invalid constructions that will throw
2478     // an exception at run time.
2479
2480     // An index may not appear multiple times:
2481     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2482     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2483
2484     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2485     // same number of indices:
2486     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2487
2488     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2489     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2490     ...
2491 @end example
2492
2493 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2494 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2495 full symmetry in the first six indices you would write
2496 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2497
2498 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2499 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2504           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2505      // -> 2*A.j.i
2506     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2507           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2508      // -> 0
2509     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2510           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2511      // -> 0
2512     ...
2513 @end example
2514
2515 @cindex @code{get_free_indices()}
2516 @cindex dummy index
2517 @subsection Dummy indices
2518
2519 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2520 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2521 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2522 dummy nor free indices.
2523
2524 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2525 class and their value must be the same single symbol (an index like
2526 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2527 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2528 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2529
2530 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2531 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2532 of a sum are consistent:
2533
2534 @example
2535 @{
2536     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2537
2538     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2539     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2540
2541     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2542     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2543      // -> (.i,.k)
2544      // 'j' and 'l' are dummy indices
2545
2546     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2547     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2548
2549     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2550       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2551     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2552      // -> (~mu,~rho)
2553      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2554
2555     e = indexed(A, mu, mu);
2556     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2557      // -> (~mu)
2558      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2559      // variance
2560
2561     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2562     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2563      // this will throw an exception:
2564      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2565 @}
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{simplify_indexed()}
2569 @subsection Simplifying indexed expressions
2570
2571 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2572 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2573 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2574 there is the method
2575
2576 @example
2577 ex ex::simplify_indexed();
2578 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2579 @end example
2580
2581 that performs some more expensive operations:
2582
2583 @itemize
2584 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2585   @code{get_free_indices()} does
2586 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2587   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2588 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2589   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2590   next section)
2591 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2592   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2593 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2594   of two tensors with a user-defined value
2595 @end itemize
2596
2597 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2598 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2599 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2600
2601 @example
2602 @{
2603     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2604     idx i(i_sym, 3);
2605
2606     scalar_products sp;
2607     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2608     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2609     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2610
2611     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2612     cout << e << endl;
2613      // -> (B+A).i*(A+C).i
2614
2615     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2616          << endl;
2617      // -> 4+C.i*B.i
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2622 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2623 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2624 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2625 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2626 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2627 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2628 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2629
2630 @cindex @code{expand()}
2631 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2632 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2633 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2634
2635 @cindex @code{tensor} (class)
2636 @subsection Predefined tensors
2637
2638 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2639 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2640 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2641 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2642 indices are specified).
2643
2644 @cindex @code{delta_tensor()}
2645 @subsubsection Delta tensor
2646
2647 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2648 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2649 @code{delta_tensor()}:
2650
2651 @example
2652 @{
2653     symbol A("A"), B("B");
2654
2655     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2656         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2657
2658     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2659          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2660     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2661      // -> B.i.j*A.i.j
2662
2663     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2664      // -> 3
2665 @}
2666 @end example
2667
2668 @cindex @code{metric_tensor()}
2669 @subsubsection General metric tensor
2670
2671 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2672 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2673 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2674 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2675
2676 @example
2677 @{
2678     symbol A("A");
2679
2680     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2681
2682     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2684      // -> A~mu~rho
2685
2686     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2688      // -> g~mu~rho
2689
2690     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2691       * metric_tensor(nu, rho);
2692     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2693      // -> delta.mu~rho
2694
2695     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2696       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2697         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2698     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2699      // -> 4+A.rho~rho
2700 @}
2701 @end example
2702
2703 @cindex @code{lorentz_g()}
2704 @subsubsection Minkowski metric tensor
2705
2706 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2707 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2708 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2709 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2710 @samp{eta}):
2711
2712 @example
2713 @{
2714     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2715
2716     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2717       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2718     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2719      // -> 1
2720
2721     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2722       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2723     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2724      // -> -1
2725 @}
2726 @end example
2727
2728 @cindex @code{spinor_metric()}
2729 @subsubsection Spinor metric tensor
2730
2731 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2732 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2733 It is output as @samp{eps}:
2734
2735 @example
2736 @{
2737     symbol psi("psi");
2738
2739     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2740     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2741
2742     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2743     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2744      // -> psi~A
2745
2746     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2747     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2748      // -> -psi~B
2749
2750     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2751     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2752      // -> -psi.A
2753
2754     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2755     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2756      // -> psi.B
2757
2758     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2759     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2760      // -> 2
2761
2762     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2763     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2764      // -> -delta.A~C
2765 @}
2766 @end example
2767
2768 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2769
2770 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2771 @cindex @code{lorentz_eps()}
2772 @subsubsection Epsilon tensor
2773
2774 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2775 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2776 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2777 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2778 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2779 @samp{eps}.
2780
2781 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2782 dimensions:
2783
2784 @example
2785 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2786 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2787 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2788 @end example
2789
2790 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2791 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2792 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2793 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2794 tensor):
2795
2796 @example
2797 @{
2798     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2799            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2800     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2801         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2802     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2803      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2804
2805     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2806     symbol A("A"), B("B");
2807     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2808     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2809      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2810     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2811     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2812      // -> 0
2813 @}
2814 @end example
2815
2816 @subsection Linear algebra
2817
2818 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2819 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2820 and scalar products):
2821
2822 @example
2823 @{
2824     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2825     symbol x("x"), y("y");
2826
2827     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2828     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2829     A = 1, 2,
2830         3, 4;
2831     X = x, y;
2832
2833     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2834      // -> 5
2835
2836     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2839
2840     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2841     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2842      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2843 @}
2844 @end example
2845
2846 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2847 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2848 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2849
2850 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2851 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2852 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2853 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2854
2855 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2856 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2857 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2858 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2859 of the metric tensor.
2860
2861
2862 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2863 @c    node-name, next, previous, up
2864 @section Non-commutative objects
2865
2866 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2867 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2868 physics:
2869
2870 @itemize
2871 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2872 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2873 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2874 @end itemize
2875
2876 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2877 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2878 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2879 @ref{Matrices}.
2880
2881 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2882 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2883 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2884 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2885 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2886 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2887 by their class. Consider this example:
2888
2889 @example
2890     ...
2891     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2892     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2893     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2894     cout << e << endl;
2895      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2896     ...
2897 @end example
2898
2899 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2900 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2901 together while preserving the order of factors within each class (because
2902 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2903 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2904 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2905 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2906
2907 @cindex @code{ncmul} (class)
2908 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2909 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2910 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2911 though.
2912
2913 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2914 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2915 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2916 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2917 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2918 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2919 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2920 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2921 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2922 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2923
2924 @cindex @code{return_type()}
2925 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2926 Information about the commutativity of an object or expression can be
2927 obtained with the two member functions
2928
2929 @example
2930 unsigned ex::return_type() const;
2931 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2932 @end example
2933
2934 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2935 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2936 expressions in GiNaC:
2937
2938 @itemize
2939 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2940   classes are of this kind.
2941 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2942   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2943   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2944   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2945   class.
2946 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2947   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2948   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
2949   @code{noncommutative_composite} expressions.
2950 @end itemize
2951
2952 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2953 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2954 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2955 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2956
2957 Here are a couple of examples:
2958
2959 @cartouche
2960 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2961 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2962 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2963 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2964 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2965 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2966 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2967 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2968 @end multitable
2969 @end cartouche
2970
2971 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2972 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2973 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2974 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2975 for color objects.
2976
2977 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2978 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2979 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2980 non-commutative expressions).
2981
2982
2983 @cindex @code{clifford} (class)
2984 @subsection Clifford algebra
2985
2986
2987 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
2988 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
2989 mathematical). 
2990
2991 @cindex @code{dirac_gamma()}
2992 @subsubsection Dirac gamma matrices
2993 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
2994 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2995 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
2996 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
2997 constructed by the function
2998
2999 @example
3000 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3001 @end example
3002
3003 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3004 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3005 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3006 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3007 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3008 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3009
3010 @cindex @code{dirac_ONE()}
3011 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3012
3013 @example
3014 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3015 @end example
3016
3017 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3018 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3019 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3020 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3021 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3022
3023 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3024 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3025 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3026 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3027
3028 @example
3029 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3030 @end example
3031
3032 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3033 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3034 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3035 objects, constructed by
3036
3037 @example
3038 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3039 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3040 @end example
3041
3042 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3043 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3044
3045 @cindex @code{dirac_slash()}
3046 Finally, the function
3047
3048 @example
3049 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3050 @end example
3051
3052 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3053 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3054 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3055 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3056
3057 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3058 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3059 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3060
3061 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3062 for example
3063
3064 @example
3065 @{
3066     ...
3067     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3068     varidx mu(symbol("mu"), D);
3069     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3070          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3071     cout << e << endl;
3072      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3073     e = e.simplify_indexed();
3074     cout << e << endl;
3075      // -> -D*a\+2*a\
3076     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3077      // -> -2*a\
3078     ...
3079 @}
3080 @end example
3081
3082 @cindex @code{dirac_trace()}
3083 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3084 you use one of the functions
3085
3086 @example
3087 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls, const ex & trONE = 4);
3088 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3089 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3090 @end example
3091
3092 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3093 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3094 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3095 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3096 element, which defaults to 4.
3097
3098 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3099 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3100 functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when acting on
3101 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3102 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3103 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3104
3105 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3106 @math{D != 4} dimensions:
3107
3108 @example
3109 @{
3110     // 4 dimensions
3111     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3112     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3113            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3114     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3115      // -> -8*eta~rho~nu
3116 @}
3117 ...
3118 @{
3119     // D dimensions
3120     symbol D("D");
3121     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3122     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3123            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3124     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3125      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3126 @}
3127 @end example
3128
3129 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3130 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3131 QED:
3132
3133 @example
3134 @{
3135     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3136     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3137
3138     scalar_products sp;
3139     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3140     sp.add(l, q, ldotq);
3141
3142     ex e = dirac_gamma(mu) *
3143            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3144            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3145            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3146     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3147     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3148     cout << e << endl;
3149      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3150 @}
3151 @end example
3152
3153 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3154 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3155 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3156
3157 @example
3158 @{
3159     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3160     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3161     cout << e << endl;
3162      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3163
3164     e = canonicalize_clifford(e);
3165     cout << e << endl;
3166      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3167 @}
3168 @end example
3169
3170 @cindex @code{clifford_unit()}
3171 @subsubsection A generic Clifford algebra
3172
3173 A generic Clifford algebra, i.e. a
3174 @tex
3175 $2^n$
3176 @end tex
3177 dimensional algebra with
3178 generators @samp{e~k} satisfying the identities 
3179 @samp{e~i e~j + e~j e~i = B(i, j)} for some symmetric matrix (@code{metric})
3180 @math{B(i, j)}. Such generators are created by the function
3181
3182 @example
3183     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);
3184 @end example
3185
3186 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3187 generators, @code{metr} defines the metric @math{B(i, j)} and can be
3188 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3189 object, optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3190 Clifford algebras (which will commute with each other). Note that the call
3191 @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates something very close to
3192 @code{dirac_gamma(mu)}. The method @code{clifford::get_metric()} returns a
3193 metric defining this Clifford number.
3194
3195 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3196 ways. For example 
3197
3198 @example
3199 @{
3200     ... 
3201     varidx nu(symbol("nu"), 3);
3202     matrix M(3, 3) = 1, 0, 0,
3203                      0,-1, 0,
3204                      0, 0, 0;
3205     ex e = clifford_unit(nu, M);
3206     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3207     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3208     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3209     ...
3210 @}
3211 @end example
3212
3213 will produce three generators of a Clifford algebra with properties
3214 @code{pow(e0, 2) = 1},  @code{pow(e1, 2) = -1} and   @code{pow(e2, 2) = 0}. 
3215
3216 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3217 A similar effect can be achieved from the function
3218
3219 @example
3220     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3221                        unsigned char rl = 0);
3222 @end example
3223
3224 which converts a list or vector @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} into
3225 the Clifford number @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n} with @samp{e.k}
3226 being created by @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code
3227 may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3228
3229 @example
3230 @{
3231     ...
3232     varidx nu(symbol("nu"), 3);
3233     matrix M(3, 3) = 1, 0, 0,
3234                      0,-1, 0,
3235                      0, 0, 0;
3236     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0), nu, M);
3237     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0), nu, M);
3238     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1), nu, M);
3239   ...
3240 @}
3241 @end example
3242
3243 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3244 There is the inverse function 
3245
3246 @example
3247     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3248 @end example
3249
3250 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3251 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} such that @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ...
3252 + v~n c.n} with respect to the given Clifford units @code{c} and none of
3253 @samp{v~k} contains the Clifford units @code{c} (of course, this
3254 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3255 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method @samp{v~k} are calculated as
3256 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.  If @samp{pow(c.k, 2) = 0} for some @samp{k}
3257 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3258 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3259
3260 @cindex @code{clifford_prime()}
3261 @cindex @code{clifford_star()}
3262 @cindex @code{clifford_bar()}
3263 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3264
3265 @example
3266     ex clifford_prime(const ex & e)
3267     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3268     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3269 @end example
3270
3271 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3272 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3273 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3274 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3275 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3276 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3277 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3278 in a product. These functions correspond to the notations
3279 @math{e'},
3280 @tex
3281 $e^*$
3282 @end tex
3283 and
3284 @tex
3285 $\overline{e}$
3286 @end tex
3287 used in Clifford algebra textbooks.
3288
3289 @cindex @code{clifford_norm()}
3290 The function
3291
3292 @example
3293     ex clifford_norm(const ex & e);
3294 @end example
3295
3296 @cindex @code{clifford_inverse()}
3297 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3298 @tex
3299 $||e||^2 = e\overline{e}$
3300 @end tex
3301 . The inverse of a Clifford expression is returned
3302 by the function
3303
3304 @example
3305     ex clifford_inverse(const ex & e);
3306 @end example
3307
3308 which calculates it as 
3309 @tex
3310 $e^{-1} = e/||e||^2$
3311 @end tex
3312 . If
3313 @tex
3314 $||e|| = 0$
3315 @end tex
3316 then an exception is raised.
3317
3318 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3319 If a Clifford number happens to be a factor of
3320 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3321 expression by the function
3322
3323 @example
3324     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3325 @end example
3326
3327 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3328 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3329 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3330
3331 The last provided function is
3332
3333 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3334 @example
3335     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3336                             const ex & d, const ex & v, const ex & G);
3337 @end example 
3338
3339 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius
3340 (conformal or linear-fractional) transformation @samp{v ->
3341 (av+b)/(cv+d)} defined by the matrix @samp{[[a, b], [c, d]]}. The last
3342 parameter @code{G} defines the metric of the surrounding
3343 (pseudo-)Euclidean space. The returned value of this function is a list
3344 of components of the resulting vector.
3345
3346
3347 @cindex @code{color} (class)
3348 @subsection Color algebra
3349
3350 @cindex @code{color_T()}
3351 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3352 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3353 elements @math{T_a} are constructed by the function
3354
3355 @example
3356 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3357 @end example
3358
3359 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3360 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3361 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3362 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3363 not @code{varidx}.
3364
3365 @cindex @code{color_ONE()}
3366 The unity element of a color algebra is constructed by
3367
3368 @example
3369 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3370 @end example
3371
3372 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3373 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3374 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3375 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3376 GiNaC may produce incorrect results.
3377
3378 @cindex @code{color_d()}
3379 @cindex @code{color_f()}
3380 The functions
3381
3382 @example
3383 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3384 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3385 @end example
3386
3387 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3388 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3389 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3390
3391 @cindex @code{color_h()}
3392 There's an additional function
3393
3394 @example
3395 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3396 @end example
3397
3398 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3399
3400 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3401 expressions containing color objects:
3402
3403 @example
3404 @{
3405     ...
3406     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3407         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3408
3409     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3410     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3411      // -> 0
3412
3413     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3414     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3415      // -> 5/3*delta.k.l
3416
3417     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3418     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3419      // -> 3*delta.k.l
3420
3421     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3422     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3423      // -> -32/3
3424
3425     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3426     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3427      // -> -2/3*T.a
3428
3429     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3430     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3431      // -> -8/9*ONE
3432
3433     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3434     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3435      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3436     ...
3437 @end example
3438
3439 @cindex @code{color_trace()}
3440 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3441 of the functions
3442
3443 @example
3444 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3445 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3446 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3447 @end example
3448
3449 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3450 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3451 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3452 example:
3453
3454 @example
3455     ...
3456     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3457     cout << e << endl;
3458      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3459 @}
3460 @end example
3461
3462
3463 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3464 @c    node-name, next, previous, up
3465 @section Hash Maps
3466 @cindex hash maps
3467 @cindex @code{exhashmap} (class)
3468
3469 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3470 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3471 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3472 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3473
3474 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3475 following differences:
3476
3477 @itemize @bullet
3478 @item
3479 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3480 @item
3481 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3482 @item 
3483 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3484 @item
3485 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3486 @code{ex_is_less}
3487 @item
3488 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3489 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3490 larger than the specified value)
3491 @item
3492 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3493 table
3494 @item 
3495 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3496 @end itemize
3497
3498
3499 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3500 @c    node-name, next, previous, up
3501 @chapter Methods and Functions
3502 @cindex polynomial
3503
3504 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3505 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3506 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3507 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3508 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3509 example:
3510
3511 @example
3512     ...
3513     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3514     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3515     ...
3516 @end example
3517
3518 @cindex @code{subs()}
3519 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3520 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3521 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3522 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3523 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3524 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3525 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3526 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3527 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3528 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3529 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3530 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3531 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3532 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3533 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3534 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3535 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3536 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3537 avoided.
3538
3539 @menu
3540 * Information About Expressions::
3541 * Numerical Evaluation::
3542 * Substituting Expressions::
3543 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3544 * Applying a Function on Subexpressions::
3545 * Visitors and Tree Traversal::
3546 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3547 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3548 * Symbolic Differentiation::
3549 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3550 * Symmetrization::
3551 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3552 * Multiple polylogarithms::
3553 * Complex Conjugation::
3554 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3555 * Solving Linear Systems of Equations::
3556 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3557 @end menu
3558
3559
3560 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3561 @c    node-name, next, previous, up
3562 @section Getting information about expressions
3563
3564 @subsection Checking expression types
3565 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3566 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3567 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3568 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3569 @cindex @code{info()}
3570 @cindex @code{return_type()}
3571 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3572
3573 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3574 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3575 GiNaC provides a couple of functions for this:
3576
3577 @example
3578 bool is_a<T>(const ex & e);
3579 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3580 bool ex::info(unsigned flag);
3581 unsigned ex::return_type() const;
3582 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3583 @end example
3584
3585 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3586 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3587 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3588 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3589
3590 @example
3591 @{
3592     @dots{}
3593     if (is_a<numeric>(e))
3594         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3595     @dots{}
3596 @}
3597 @end example
3598
3599 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3600 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3601 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3602 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3603
3604 @example
3605 @{
3606     symbol x("x");
3607     ex e1 = 42;
3608     ex e2 = 4*x - 3;
3609     is_a<numeric>(e1);  // true
3610     is_a<numeric>(e2);  // false
3611     is_a<add>(e1);      // false
3612     is_a<add>(e2);      // true
3613     is_a<mul>(e1);      // false
3614     is_a<mul>(e2);      // false
3615 @}
3616 @end example
3617
3618 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3619 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3620 class @samp{T}, not including parent classes.
3621
3622 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3623 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3624 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3625 table:
3626
3627 @cartouche
3628 @multitable @columnfractions .30 .70
3629 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3630 @item @code{numeric}
3631 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3632 @item @code{real}
3633 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3634 @item @code{rational}
3635 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3636 @item @code{integer}
3637 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3638 @item @code{crational}
3639 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3640 @item @code{cinteger}
3641 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3642 @item @code{positive}
3643 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3644 @item @code{negative}
3645 @tab @dots{}not complex and less than 0
3646 @item @code{nonnegative}
3647 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3648 @item @code{posint}
3649 @tab @dots{}an integer greater than 0
3650 @item @code{negint}
3651 @tab @dots{}an integer less than 0
3652 @item @code{nonnegint}
3653 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3654 @item @code{even}
3655 @tab @dots{}an even integer
3656 @item @code{odd}
3657 @tab @dots{}an odd integer
3658 @item @code{prime}
3659 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3660 @item @code{relation}
3661 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3662 @item @code{relation_equal}
3663 @tab @dots{}a @code{==} relation
3664 @item @code{relation_not_equal}
3665 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3666 @item @code{relation_less}
3667 @tab @dots{}a @code{<} relation
3668 @item @code{relation_less_or_equal}
3669 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3670 @item @code{relation_greater}
3671 @tab @dots{}a @code{>} relation
3672 @item @code{relation_greater_or_equal}
3673 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3674 @item @code{symbol}
3675 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3676 @item @code{list}
3677 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3678 @item @code{polynomial}
3679 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3680 @item @code{integer_polynomial}
3681 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3682 @item @code{cinteger_polynomial}
3683 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3684 @item @code{rational_polynomial}
3685 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3686 @item @code{crational_polynomial}
3687 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3688 @item @code{rational_function}
3689 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3690 @item @code{algebraic}
3691 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3692 @end multitable
3693 @end cartouche
3694
3695 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3696 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3697 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3698 for an explanation of these.
3699
3700
3701 @subsection Accessing subexpressions
3702 @cindex container
3703
3704 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3705 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3706 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3707 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3708
3709 @cindex @code{nops()}
3710 @cindex @code{op()}
3711 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3712 use the two methods
3713
3714 @example
3715 size_t ex::nops();
3716 ex ex::op(size_t i);
3717 @end example
3718
3719 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3720 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3721 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3722 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3723 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3724 @math{i>0} are the indices.
3725
3726 @cindex iterators
3727 @cindex @code{const_iterator}
3728 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3729 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3730
3731 @example
3732 const_iterator ex::begin();
3733 const_iterator ex::end();
3734 @end example
3735
3736 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3737 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3738 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3739 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3740
3741 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3742 given expression in three different ways:
3743
3744 @example
3745 @{
3746     ex e = ...
3747
3748     // with nops()/op()
3749     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3750         cout << e.op(i) << endl;
3751
3752     // with iterators
3753     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3754         cout << *i << endl;
3755
3756     // with iterators and STL copy()
3757     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3758 @}
3759 @end example
3760
3761 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3762 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3763 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3764 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3765 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3766 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3767 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3768 methods
3769
3770 @example
3771 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3772 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3773 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3774 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3775 @end example
3776
3777 The following example illustrates the differences between
3778 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3779 @code{const_postorder_iterator}:
3780
3781 @example
3782 @{
3783     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3784     ex e = lst(lst(A, B), C);
3785
3786     std::copy(e.begin(), e.end(),
3787               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3788     // @{A,B@}
3789     // C
3790
3791     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3792               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3793     // @{@{A,B@},C@}
3794     // @{A,B@}
3795     // A
3796     // B
3797     // C
3798
3799     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3800               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3801     // A
3802     // B
3803     // @{A,B@}
3804     // C
3805     // @{@{A,B@},C@}
3806 @}
3807 @end example
3808
3809 @cindex @code{relational} (class)
3810 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3811 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3812 methods
3813
3814 @example
3815 ex ex::lhs();
3816 ex ex::rhs();
3817 @end example
3818
3819
3820 @subsection Comparing expressions
3821 @cindex @code{is_equal()}
3822 @cindex @code{is_zero()}
3823
3824 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3825 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3826 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3827 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3828 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3829 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3830 @code{false}.
3831
3832 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3833 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3834 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3835
3836 There are also two methods
3837
3838 @example
3839 bool ex::is_equal(const ex & other);
3840 bool ex::is_zero();
3841 @end example
3842
3843 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3844 respectively.
3845
3846
3847 @subsection Ordering expressions
3848 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3849 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3850 @cindex @code{compare()}
3851
3852 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3853 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3854 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3855 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3856
3857 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3858 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3859 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3860 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3861 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3862 yield @code{true}.
3863
3864 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3865 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3866 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3867 predicates to the STL:
3868
3869 @example
3870 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3871 public:
3872     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3873 @};
3874
3875 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3876 public:
3877     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3878 @};
3879 @end example
3880
3881 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3882 have to use
3883
3884 @example
3885 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3886 @end example
3887
3888 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3889 bugs because the map operates improperly.
3890
3891 Other examples for the use of the functors:
3892
3893 @example
3894 std::vector<ex> v;
3895 // fill vector
3896 ...
3897
3898 // sort vector
3899 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3900
3901 // count the number of expressions equal to '1'
3902 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3903                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3904 @end example
3905
3906 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3907
3908 @example
3909 int ex::compare(const ex & other) const;
3910 @end example
3911
3912 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3913 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3914 after @code{other}.
3915
3916
3917 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3918 @c    node-name, next, previous, up
3919 @section Numerical Evaluation
3920 @cindex @code{evalf()}
3921
3922 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3923 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3924
3925 @example
3926 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3927 @end example
3928
3929 @cindex @code{Digits}
3930 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3931 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3932 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3933
3934 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3935 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3936
3937 @example
3938 @{
3939     // Approximate sin(x/Pi)
3940     symbol x("x");
3941     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3942
3943     // Evaluate numerically at x=0.1
3944     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3945
3946     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3947     if (is_a<numeric>(f)) @{
3948         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3949         cout << d << endl;
3950          // -> 0.0318256
3951     @} else
3952         // error
3953 @}
3954 @end example
3955
3956
3957 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3958 @c    node-name, next, previous, up
3959 @section Substituting expressions
3960 @cindex @code{subs()}
3961
3962 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3963 expressions via the @code{.subs()} method:
3964
3965 @example
3966 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3967 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3968 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3969 @end example
3970
3971 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3972 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3973
3974 @example
3975 @{
3976     symbol x("x"), y("y");
3977
3978     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3979     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3980      // -> 73
3981
3982     ex e2 = x*y + x;
3983     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3984      // -> -10
3985 @}
3986 @end example
3987
3988 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3989 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3990
3991 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3992 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3993 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3994 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3995 be substituted is large or unknown.
3996
3997 Using this form, the second example from above would look like this:
3998
3999 @example
4000 @{
4001     symbol x("x"), y("y");
4002     ex e2 = x*y + x;
4003
4004     exmap m;
4005     m[x] = -2;
4006     m[y] = 4;
4007     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4008 @}
4009 @end example
4010
4011 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4012 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4013 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4014
4015 @example
4016 @{
4017     symbol x("x"), y("y");
4018     ex e2 = x*y + x;
4019
4020     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4021 @}
4022 @end example
4023
4024 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4025 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4026 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4027 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4028 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4029 algebraic substitutions in products and powers.
4030 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4031 about patterns and algebraic substitutions.
4032
4033 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4034 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4035 following example:
4036
4037 @example
4038 @{
4039     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4040
4041     ex e1 = pow(x+y, 2);
4042     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4043      // -> 16
4044
4045     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4046     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4047      // -> cos(x)^2*sin(y)
4048
4049     ex e3 = x+y+z;
4050     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4051      // -> x+y+z
4052      // (and not 4+z as one might expect)
4053 @}
4054 @end example
4055
4056 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4057 next section.
4058
4059
4060 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4061 @c    node-name, next, previous, up
4062 @section Pattern matching and advanced substitutions
4063 @cindex @code{wildcard} (class)
4064 @cindex Pattern matching
4065
4066 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4067 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4068 substituting expressions in a more general way.
4069
4070 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4071 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4072 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4073 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4074 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4075 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4076 with the call
4077
4078 @example
4079 ex wild(unsigned label = 0);
4080 @end example
4081
4082 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4083 name.
4084
4085 Some examples for patterns:
4086
4087 @multitable @columnfractions .5 .5
4088 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4089 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4090 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4091 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4092 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4093 @end multitable
4094
4095 Notes:
4096
4097 @itemize
4098 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4099   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4100 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4101   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4102   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4103 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4104   possible to use them as placeholders for other properties like index
4105   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4106   etc.
4107 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4108   as part of noncommutative products.
4109 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4110   are also valid patterns.
4111 @end itemize
4112
4113 @subsection Matching expressions
4114 @cindex @code{match()}
4115 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4116 matches a given pattern. This is done by the function
4117
4118 @example
4119 bool ex::match(const ex & pattern);
4120 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4121 @end example
4122
4123 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4124 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4125 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4126 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4127 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4128 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4129 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4130 expressions by passing in the result of a previous match.
4131
4132 The matching algorithm works as follows:
4133
4134 @itemize
4135 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4136   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4137   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4138   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4139 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4140   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4141   etc.).
4142 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4143   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4144 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4145   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4146   of the pattern.
4147 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4148   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4149 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4150   match the corresponding subexpression of the pattern.
4151 @end itemize
4152
4153 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4154 account for their commutativity and associativity:
4155
4156 @itemize
4157 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4158   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4159   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4160   way.
4161 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4162   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4163   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4164   further matches.
4165 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4166   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4167   which case this wildcard matches the remaining terms.
4168 @end itemize
4169
4170 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4171 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4172 ambiguous results.
4173
4174 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4175 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4176 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4177
4178 @example
4179 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4180 @{@}
4181 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4182 FAIL
4183 > match((x+y)^a,$1^$2);
4184 @{$1==x+y,$2==a@}
4185 > match((x+y)^a,$1^$1);
4186 FAIL
4187 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4188 @{$1==x+y@}
4189 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4190 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4191 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4192 @{$1==a@}
4193 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4194 @{$1==c,$2==b@}
4195   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4196 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4197   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4198    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4199    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4200    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4201    fail.)
4202 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4203   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4204    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4205 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4206 FAIL
4207 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4208 @{$0==a+e+b+f+d@}
4209 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4210 @{$0==a+b+f+d@}
4211 > match(a+b,a+b+$0);
4212 @{$0==0@}
4213 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4214 FAIL
4215   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4216    even though a==a^1.)
4217 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4218 @{$0==x@}
4219 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4220 @{$0==x^2@}
4221 @end example
4222
4223 @subsection Matching parts of expressions
4224 @cindex @code{has()}
4225 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4226 member function
4227
4228 @example
4229 bool ex::has(const ex & pattern);
4230 @end example
4231
4232 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4233 by any of its subexpressions.
4234
4235 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4236 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4237
4238 @example
4239 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4240 1
4241 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4242 0
4243   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4244    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4245 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4246 1
4247   (But this is possible.)
4248 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4249 0
4250   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4251    which "x+y" is not a subexpression.)
4252 > has(x+1,x^$1);
4253 0
4254   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4255    "x^something".)
4256 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4257 1
4258 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4259 0
4260   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4261    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4262    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4263 @end example
4264
4265 @cindex @code{find()}
4266 The method
4267
4268 @example
4269 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4270 @end example
4271
4272 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4273 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4274 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4275 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4276 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4277
4278 @example
4279 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4280 @{x@}
4281 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4282 @{@}
4283 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4284 @{x^3,x^2@}
4285   (Note the absence of "x".)
4286 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4287 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4288 > find(%,sin($1));
4289 @{sin(y),sin(x)@}
4290 @end example
4291
4292 @subsection Substituting expressions
4293 @cindex @code{subs()}
4294 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4295 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4296 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4297 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4298 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4299
4300 Some examples:
4301
4302 @example
4303 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4304 b^3+a^3+(x+y)^3
4305 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4306 b^4+a^4+(x+y)^4
4307 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4308 (a+b+c)^2
4309 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4310 (x+c)^2
4311 > subs(a+2*b,a+b==x);
4312 a+2*b
4313 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4314 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4315 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4316 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4317 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4318 cos(1+cos(x))
4319 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4320 a+b
4321 @end example
4322
4323 The last example would be written in C++ in this way:
4324
4325 @example
4326 @{
4327     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4328     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4329     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4330     cout << e.expand() << endl;
4331      // -> a+b
4332 @}
4333 @end example
4334
4335 @subsection Algebraic substitutions
4336 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4337 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4338 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4339 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4340 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4341 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4342 powers.
4343
4344 An example clarifies it all (hopefully):
4345
4346 @example
4347 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4348                                         subs_options::algebraic) << endl;
4349 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4350
4351 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4352 // --> (c+b+a)^2
4353 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4354
4355 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4356                                                                       << endl;
4357 // --> (x+c)^2
4358 // As I said: addition is just the same.
4359
4360 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4361 // --> x^3*b*a^2+2*b
4362
4363 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4364                                                                        << endl;
4365 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4366
4367 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4368 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4369
4370 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4371                                 subs_options::algebraic) << endl;
4372 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4373 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4374 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4375
4376 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4377                                 subs_options::algebraic) << endl;
4378 // --> cos(1+cos(x))
4379
4380 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4381         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4382                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4383 // --> b+a
4384 @end example
4385
4386
4387 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4388 @c    node-name, next, previous, up
4389 @section Applying a Function on Subexpressions
4390 @cindex tree traversal
4391 @cindex @code{map()}
4392
4393 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4394 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4395 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4396 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4397 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4398 to do this manually which usually results in code like this:
4399
4400 @example
4401 ex calc_trace(ex e)
4402 @{
4403     if (is_a<matrix>(e))
4404         return ex_to<matrix>(e).trace();
4405     else if (is_a<add>(e)) @{
4406         ex sum = 0;
4407         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4408             sum += calc_trace(e.op(i));
4409         return sum;
4410     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4411         ...
4412     @} else @{
4413         ...
4414     @}
4415 @}
4416 @end example
4417
4418 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4419 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4420 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4421 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4422 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4423
4424 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4425 operations:
4426
4427 @example
4428 ex ex::map(map_function & f) const;
4429 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4430 @end example
4431
4432 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4433 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4434 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4435 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4436 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4437 non-recursively.
4438
4439 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4440 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4441 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4442 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4443 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4444
4445 @example
4446 struct calc_trace : public map_function @{
4447     ex operator()(const ex &e)
4448     @{
4449         if (is_a<matrix>(e))
4450             return ex_to<matrix>(e).trace();
4451         else if (is_a<mul>(e)) @{
4452             ...
4453         @} else
4454             return e.map(*this);
4455     @}
4456 @};
4457 @end example
4458
4459 This function object could then be used like this:
4460
4461 @example
4462 @{
4463     ex M = ... // expression with matrices
4464     calc_trace do_trace;
4465     ex tr = do_trace(M);
4466 @}
4467 @end example
4468
4469 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4470 terms in a variable from an expanded polynomial:
4471
4472 @example
4473 struct map_rem_quad : public map_function @{
4474     ex var;
4475     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4476
4477     ex operator()(const ex & e)
4478     @{
4479         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4480             return e.map(*this);
4481         else if (is_a<power>(e) && 
4482                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4483             return 0;
4484         else
4485             return e;
4486     @}
4487 @};
4488
4489 ...
4490
4491 @{
4492     symbol x("x"), y("y");
4493
4494     ex e;
4495     for (int i=0; i<8; i++)
4496         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4497     cout << e << endl;
4498      // -> 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
4499
4500     map_rem_quad rem_quad(x);
4501     cout << rem_quad(e) << endl;
4502      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4503 @}
4504 @end example
4505
4506 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4507 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4508 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4509 acts as the placeholder for the operands:
4510
4511 @example
4512 > map(a*b,sin($0));
4513 sin(a)*sin(b)
4514 > map(a+2*b,sin($0));
4515 sin(a)+sin(2*b)
4516 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4517 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4518 @end example
4519
4520 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4521 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4522 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4523
4524 @example
4525 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4526 @{0,0,0@}
4527   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4528   to "map(@{a,b,c@},0)".
4529 @end example
4530
4531
4532 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4533 @c    node-name, next, previous, up
4534 @section Visitors and Tree Traversal
4535 @cindex tree traversal
4536 @cindex @code{visitor} (class)
4537 @cindex @code{accept()}
4538 @cindex @code{visit()}
4539 @cindex @code{traverse()}
4540 @cindex @code{traverse_preorder()}
4541 @cindex @code{traverse_postorder()}
4542
4543 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4544 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4545 indices with variance you always want the covariant version returned.
4546
4547 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4548 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4549 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4550 with variance, one for plain ones).
4551
4552 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4553 such as the following:
4554
4555 @example
4556 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4557 @{
4558     if (is_a<varidx>(e)) @{
4559         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4560         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4561     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4562         l.append(e);
4563     @} else @{
4564         size_t n = e.nops();
4565         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4566             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4567     @}
4568 @}
4569
4570 lst gather_indices(const ex & e)
4571 @{
4572     lst l;
4573     gather_indices_helper(e, l);
4574     l.sort();
4575     l.unique();
4576     return l;
4577 @}
4578 @end example
4579
4580 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4581 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4582 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4583
4584 @example
4585     if (is_a<idx>(e)) @{
4586       ...
4587     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4588       ...
4589 @end example
4590
4591 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4592 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4593 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4594 executed.
4595
4596 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4597 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4598 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4599 write a function that required a different implementation for nearly
4600 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4601
4602 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4603 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4604 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4605 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4606 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4607 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4608 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4609 presented this would be impractical.
4610
4611 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4612 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4613 variation, described in detail in
4614 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4615 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4616 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4617 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4618 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4619 object that @code{accept()} was being invoked on.
4620
4621 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4622 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4623 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4624 each class.
4625
4626 A call of
4627
4628 @example
4629 void ex::accept(visitor & v) const;
4630 @end example
4631
4632 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4633 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4634 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4635
4636 Here is an example of a visitor:
4637
4638 @example
4639 class my_visitor
4640  : public visitor,          // this is required
4641    public add::visitor,     // visit add objects
4642    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4643    public basic::visitor    // visit basic objects
4644 @{
4645     void visit(const add & x)
4646     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4647
4648     void visit(const numeric & x)
4649     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4650
4651     void visit(const basic & x)
4652     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4653 @};
4654 @end example
4655
4656 which can be used as follows:
4657
4658 @example
4659 ...
4660     symbol x("x");
4661     ex e1 = 42;
4662     ex e2 = 4*x-3;
4663     ex e3 = 8*x;
4664
4665     my_visitor v;
4666     e1.accept(v);
4667      // prints "called with a numeric object"
4668     e2.accept(v);
4669      // prints "called with an add object"
4670     e3.accept(v);
4671      // prints "called with a basic object"
4672 ...
4673 @end example
4674
4675 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4676 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4677
4678 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4679 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4680 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4681 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4682 hierarchies of visitors.
4683
4684 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4685
4686 @example
4687 class gather_indices_visitor
4688  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4689 @{
4690     lst l;
4691
4692     void visit(const idx & i)
4693     @{
4694         l.append(i);
4695     @}
4696
4697     void visit(const varidx & vi)
4698     @{
4699         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4700     @}
4701
4702 public:
4703     const lst & get_result() // utility function
4704     @{
4705         l.sort();
4706         l.unique();
4707         return l;
4708     @}
4709 @};
4710 @end example
4711
4712 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4713 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4714
4715 @example
4716 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4717 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4718 void ex::traverse(visitor & v) const;
4719 @end example
4720
4721 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4722 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4723 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4724 @code{traverse_preorder()}.
4725
4726 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4727 and @code{traverse()}:
4728
4729 @example
4730 lst gather_indices(const ex & e)
4731 @{
4732     gather_indices_visitor v;
4733     e.traverse(v);
4734     return v.get_result();
4735 @}
4736 @end example
4737
4738 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4739 traversal:
4740
4741 @example
4742 lst gather_indices(const ex & e)
4743 @{
4744     gather_indices_visitor v;
4745     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4746          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4747         i->accept(v);
4748     @}
4749     return v.get_result();
4750 @}
4751 @end example
4752
4753
4754 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4755 @c    node-name, next, previous, up
4756 @section Polynomial arithmetic
4757
4758 @subsection Expanding and collecting
4759 @cindex @code{expand()}
4760 @cindex @code{collect()}
4761 @cindex @code{collect_common_factors()}
4762
4763 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4764 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4765 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4766 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4767 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4768 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4769 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4770 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4771 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4772 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4773 x*z}.
4774
4775 To bring an expression into expanded form, its method
4776
4777 @example
4778 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4779 @end example
4780
4781 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4782 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4783 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4784 orderings of terms in such sums!
4785
4786 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4787 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4788 being polynomials in the remaining variables.  The method
4789 @code{collect()} accomplishes this task:
4790
4791 @example
4792 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4793 @end example
4794
4795 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4796 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4797 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4798 by the @code{distributed} flag.
4799
4800 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4801 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4802 coefficients properly.
4803
4804 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4805 together with @code{find()}:
4806
4807 @example
4808 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4809 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4810 > collect(a,@{p,q@});
4811 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4812 > collect(a,find(a,sin($1)));
4813 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4814 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4815 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4816 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4817 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4818 @end example
4819
4820 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4821 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4822
4823 @example
4824 ex collect_common_factors(const ex & e);
4825 @end example
4826
4827 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4828 factors which are already explicitly present:
4829
4830 @example
4831 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4832 (x+y)*a
4833 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4834 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4835 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4836 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4837 @end example
4838
4839 @subsection Degree and coefficients
4840 @cindex @code{degree()}
4841 @cindex @code{ldegree()}
4842 @cindex @code{coeff()}
4843
4844 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4845 methods
4846
4847 @example
4848 int ex::degree(const ex & s);
4849 int ex::ldegree(const ex & s);
4850 @end example
4851
4852 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4853 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4854 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4855 an expanded polynomial you use
4856
4857 @example
4858 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4859 @end example
4860
4861 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4862
4863 @example
4864 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4865 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4866 @end example
4867
4868 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4869 respectively.
4870
4871 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4872 polynomial is analyzed:
4873
4874 @example
4875 @{
4876     symbol x("x"), y("y");
4877     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4878                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4879     ex Poly = PolyInp.expand();
4880     
4881     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4882         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4883              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4884     @}
4885     cout << "As polynomial in y: " 
4886          << Poly.collect(y) << endl;
4887 @}
4888 @end example
4889
4890 When run, it returns an output in the following fashion:
4891
4892 @example
4893 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4894 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4895 The x^2-coefficient is -1
4896 The x^3-coefficient is 4*y
4897 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4898 @end example
4899
4900 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4901 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4902 within the user's sphere of influence.
4903
4904 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4905 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4906 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4907 constants, functions and indexed objects as well:
4908
4909 @example
4910 @{
4911     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
4912     idx i(symbol("i"), 3);
4913
4914     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4915     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4916      // -> 4
4917     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4918      // -> -4*cos(x)
4919
4920     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4921     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4922     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4923      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4924 @}
4925 @end example
4926
4927
4928 @subsection Polynomial division
4929 @cindex polynomial division
4930 @cindex quotient
4931 @cindex remainder
4932 @cindex pseudo-remainder
4933 @cindex @code{quo()}
4934 @cindex @code{rem()}
4935 @cindex @code{prem()}
4936 @cindex @code{divide()}
4937
4938 The two functions
4939
4940 @example
4941 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4942 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4943 @end example
4944
4945 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4946 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4947
4948 The additional function
4949
4950 @example
4951 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4952 @end example
4953
4954 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4955 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4956
4957 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4958
4959 @example
4960 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4961 @end example
4962
4963 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4964 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4965 in which case the value of @code{q} is undefined.
4966
4967
4968 @subsection Unit, content and primitive part
4969 @cindex @code{unit()}
4970 @cindex @code{content()}
4971 @cindex @code{primpart()}
4972 @cindex @code{unitcontprim()}
4973
4974 The methods
4975
4976 @example
4977 ex ex::unit(const ex & x);
4978 ex ex::content(const ex & x);
4979 ex ex::primpart(const ex & x);
4980 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
4981 @end example
4982
4983 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4984 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4985 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4986 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4987 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
4988 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
4989 work faster in the case where the content part has already been computed. The
4990 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
4991
4992 Additionally, the method
4993
4994 @example
4995 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
4996 @end example
4997
4998 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
4999 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5000
5001
5002 @subsection GCD, LCM and resultant
5003 @cindex GCD
5004 @cindex LCM
5005 @cindex @code{gcd()}
5006 @cindex @code{lcm()}
5007
5008 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5009 multiple have the synopsis
5010
5011 @example
5012 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5013 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5014 @end example
5015
5016 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5017 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5018 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5019 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5020 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
5021
5022 @example
5023 #include <ginac/ginac.h>
5024 using namespace GiNaC;
5025
5026 int main()
5027 @{
5028     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5029     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5030     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5031
5032     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5033     // x + 5*y + 4*z
5034     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5035     // 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
5036 @}
5037 @end example
5038
5039 @cindex resultant
5040 @cindex @code{resultant()}
5041
5042 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5043 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5044 expressions. The function has the interface
5045
5046 @example
5047 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5048 @end example
5049
5050 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5051 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5052 @code{y}, respectively:
5053
5054 @example
5055 #include <ginac/ginac.h>
5056 using namespace GiNaC;
5057
5058 int main()
5059 @{
5060     symbol x("x"), y("y");
5061
5062     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5063     ex r;
5064     
5065     r = resultant(e1, e2, x); 
5066     // -> 1+2*y^6
5067     r = resultant(e1, e2, y); 
5068     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5069 @}
5070 @end example
5071
5072 @subsection Square-free decomposition
5073 @cindex square-free decomposition
5074 @cindex factorization
5075 @cindex @code{sqrfree()}
5076
5077 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5078 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5079 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5080 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5081 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5082 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5083 one, too:
5084 @example
5085 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5086 @end example
5087 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5088 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5089 some care with subsequent processing of the result:
5090 @example
5091     ...
5092     symbol x("x"), y("y");
5093     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5094
5095     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5096      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5097
5098     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5099      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5100
5101     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5102      // -> depending on luck, any of the above
5103     ...
5104 @end example
5105 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5106 with this method.
5107
5108
5109 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5110 @c    node-name, next, previous, up
5111 @section Rational expressions
5112
5113 @subsection The @code{normal} method
5114 @cindex @code{normal()}
5115 @cindex simplification
5116 @cindex temporary replacement
5117
5118 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5119 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5120 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5121 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5122 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5123 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5124
5125 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5126 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5127 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5128 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5129 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5130 @code{.to_rational()}, described below.
5131
5132 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5133 simplified in this little code snippet:
5134
5135 @example
5136 @{
5137     symbol x("x");
5138     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5139     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5140     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5141     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5142 @}
5143 @end example
5144
5145 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5146 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5147 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5148
5149
5150 @subsection Numerator and denominator
5151 @cindex numerator
5152 @cindex denominator
5153 @cindex @code{numer()}
5154 @cindex @code{denom()}
5155 @cindex @code{numer_denom()}
5156
5157 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5158
5159 @example
5160 ex ex::numer();
5161 ex ex::denom();
5162 ex ex::numer_denom();
5163 @end example
5164
5165 These functions will first normalize the expression as described above and
5166 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5167 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5168 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5169
5170
5171 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5172 @cindex @code{to_polynomial()}
5173 @cindex @code{to_rational()}
5174
5175 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5176 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5177 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5178 above. You do this by calling
5179
5180 @example
5181 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5182 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5183 @end example
5184 or
5185 @example
5186 ex ex::to_rational(exmap & m);
5187 ex ex::to_rational(lst & l);
5188 @end example
5189
5190 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5191 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5192 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5193 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5194 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5195 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5196
5197 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5198 is probably best illustrated with an example:
5199
5200 @example
5201 @{
5202     symbol x("x"), y("y");
5203     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5204     cout << a << endl;
5205
5206     lst lp;
5207     ex p = a.to_polynomial(lp);
5208     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5209      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5210      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5211
5212     lst lr;
5213     ex r = a.to_rational(lr);
5214     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5215      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5216      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5217 @}
5218 @end example
5219
5220 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5221
5222 @example
5223 @{
5224     symbol x("x");
5225     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5226     ex b = sin(x) + cos(x);
5227     ex q;
5228     exmap m;
5229     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5230     cout << q.subs(m) << endl;
5231 @}
5232 @end example
5233
5234
5235 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5236 @c    node-name, next, previous, up
5237 @section Symbolic differentiation
5238 @cindex differentiation
5239 @cindex @code{diff()}
5240 @cindex chain rule
5241 @cindex product rule
5242
5243 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5244 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5245 the derivatives of all the monomials:
5246
5247 @example
5248 @{
5249     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5250     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5251
5252     cout << P.diff(x,2) << endl;
5253      // -> 20*x^3 + 2
5254     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5255      // -> 1
5256     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5257      // -> 0
5258 @}
5259 @end example
5260
5261 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5262 returns the @var{n}th derivative.
5263
5264 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5265 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5266 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5267 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5268 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5269 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5270 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5271 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5272 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5273 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5274 lines:
5275
5276 @cindex Euler numbers
5277 @example
5278 #include <ginac/ginac.h>
5279 using namespace GiNaC;
5280
5281 ex EulerNumber(unsigned n)
5282 @{
5283     symbol x;
5284     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5285     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5286 @}
5287
5288 int main()
5289 @{
5290     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5291         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5292     return 0;
5293 @}
5294 @end example
5295
5296 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5297 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5298 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5299
5300
5301 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5302 @c    node-name, next, previous, up
5303 @section Series expansion
5304 @cindex @code{series()}
5305 @cindex Taylor expansion
5306 @cindex Laurent expansion
5307 @cindex @code{pseries} (class)
5308 @cindex @code{Order()}
5309
5310 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5311 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5312 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5313 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5314 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5315 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5316 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5317 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5318 term).  A sample application from special relativity could read:
5319
5320 @example
5321 #include <ginac/ginac.h>
5322 using namespace std;
5323 using namespace GiNaC;
5324
5325 int main()
5326 @{
5327     symbol v("v"), c("c");
5328     
5329     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5330     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5331     
5332     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5333          << mass_nonrel << endl;
5334     
5335     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5336          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5337 @}
5338 @end example
5339
5340 Only calling the series method makes the last output simplify to
5341 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5342 series raised to the power @math{-2}.
5343
5344 @cindex Machin's formula
5345 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5346 value of Archimedes' constant
5347 @tex
5348 $\pi$
5349 @end tex
5350 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5351 using John Machin's amazing formula
5352 @tex
5353 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5354 @end tex
5355 @ifnottex
5356 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5357 @end ifnottex
5358 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5359 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5360 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5361 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5362 order term with it and the question arises what the system is supposed
5363 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5364 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5365 term off:
5366
5367 @example
5368 #include <ginac/ginac.h>
5369 using namespace GiNaC;
5370
5371 ex machin_pi(int degr)
5372 @{
5373     symbol x;
5374     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5375     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5376                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5377     return pi_approx;
5378 @}
5379
5380 int main()
5381 @{
5382     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5383     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5384     ex pi_frac;
5385     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5386         pi_frac = machin_pi(i);
5387         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5388              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5389     @}
5390     return 0;
5391 @}
5392 @end example
5393
5394 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5395 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5396 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5397 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5398 program, it will type out:
5399
5400 @example
5401 2:      3804/1195
5402         3.1832635983263598326
5403 4:      5359397032/1706489875
5404         3.1405970293260603143
5405 6:      38279241713339684/12184551018734375
5406         3.141621029325034425
5407 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5408         3.141591772182177295
5409 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5410         3.1415926824043995174
5411 @end example
5412
5413
5414 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5415 @c    node-name, next, previous, up
5416 @section Symmetrization
5417 @cindex @code{symmetrize()}
5418 @cindex @code{antisymmetrize()}
5419 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5420
5421 The three methods
5422
5423 @example
5424 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5425 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5426 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5427 @end example
5428
5429 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5430 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5431 weighted by the number of permutations.
5432
5433 The three additional methods
5434
5435 @example
5436 ex ex::symmetrize();
5437 ex ex::antisymmetrize();
5438 ex ex::symmetrize_cyclic();
5439 @end example
5440
5441 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5442
5443 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5444 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5445
5446 @example
5447 @{
5448     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5449     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5450                                            
5451     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5452      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5453     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5454      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5455     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5456      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5457 @}
5458 @end example
5459
5460 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5461 @c    node-name, next, previous, up
5462 @section Predefined mathematical functions
5463 @c
5464 @subsection Overview
5465
5466 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5467
5468 @cartouche
5469 @multitable @columnfractions .30 .70
5470 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5471 @item @code{abs(x)}
5472 @tab absolute value
5473 @cindex @code{abs()}
5474 @item @code{csgn(x)}
5475 @tab complex sign
5476 @cindex @code{conjugate()}
5477 @item @code{conjugate(x)}
5478 @tab complex conjugation
5479 @cindex @code{csgn()}
5480 @item @code{sqrt(x)}
5481 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5482 @cindex @code{sqrt()}
5483 @item @code{sin(x)}
5484 @tab sine
5485 @cindex @code{sin()}
5486 @item @code{cos(x)}
5487 @tab cosine
5488 @cindex @code{cos()}
5489 @item @code{tan(x)}
5490 @tab tangent
5491 @cindex @code{tan()}
5492 @item @code{asin(x)}
5493 @tab inverse sine
5494 @cindex @code{asin()}
5495 @item @code{acos(x)}
5496 @tab inverse cosine
5497 @cindex @code{acos()}
5498 @item @code{atan(x)}
5499 @tab inverse tangent
5500 @cindex @code{atan()}
5501 @item @code{atan2(y, x)}
5502 @tab inverse tangent with two arguments
5503 @item @code{sinh(x)}
5504 @tab hyperbolic sine
5505 @cindex @code{sinh()}
5506 @item @code{cosh(x)}
5507 @tab hyperbolic cosine
5508 @cindex @code{cosh()}
5509 @item @code{tanh(x)}
5510 @tab hyperbolic tangent
5511 @cindex @code{tanh()}
5512 @item @code{asinh(x)}
5513 @tab inverse hyperbolic sine
5514 @cindex @code{asinh()}
5515 @item @code{acosh(x)}
5516 @tab inverse hyperbolic cosine
5517 @cindex @code{acosh()}
5518 @item @code{atanh(x)}
5519 @tab inverse hyperbolic tangent
5520 @cindex @code{atanh()}
5521 @item @code{exp(x)}
5522 @tab exponential function
5523 @cindex @code{exp()}
5524 @item @code{log(x)}
5525 @tab natural logarithm
5526 @cindex @code{log()}
5527 @item @code{Li2(x)}
5528 @tab dilogarithm
5529 @cindex @code{Li2()}
5530 @item @code{Li(m, x)}
5531 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5532 @cindex @code{Li()}
5533 @item @code{S(n, p, x)}
5534 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5535 @cindex @code{S()}
5536 @item @code{H(m, x)}
5537 @tab harmonic polylogarithm
5538 @cindex @code{H()}
5539 @item @code{zeta(m)}
5540 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5541 @cindex @code{zeta()}
5542 @item @code{zeta(m, s)}
5543 @tab alternating Euler sum
5544 @cindex @code{zeta()}
5545 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5546 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5547 @item @code{tgamma(x)}
5548 @tab gamma function
5549 @cindex @code{tgamma()}
5550 @cindex gamma function
5551 @item @code{lgamma(x)}
5552 @tab logarithm of gamma function
5553 @cindex @code{lgamma()}
5554 @item @code{beta(x, y)}
5555 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5556 @cindex @code{beta()}
5557 @item @code{psi(x)}
5558 @tab psi (digamma) function
5559 @cindex @code{psi()}
5560 @item @code{psi(n, x)}
5561 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5562 @item @code{factorial(n)}
5563 @tab factorial function @math{n!}
5564 @cindex @code{factorial()}
5565 @item @code{binomial(n, k)}
5566 @tab binomial coefficients
5567 @cindex @code{binomial()}
5568 @item @code{Order(x)}
5569 @tab order term function in truncated power series
5570 @cindex @code{Order()}
5571 @end multitable
5572 @end cartouche
5573
5574 @cindex branch cut
5575 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5576 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5577 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5578 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5579 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5580 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5581 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5582 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5583 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5584 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5585 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5586 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5587 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5588 compatible with C99.
5589
5590 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5591 @c    node-name, next, previous, up
5592 @subsection Multiple polylogarithms
5593
5594 @cindex polylogarithm
5595 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5596 @cindex harmonic polylogarithm
5597 @cindex multiple zeta value
5598 @cindex alternating Euler sum
5599 @cindex multiple polylogarithm
5600
5601 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5602 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5603 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5604 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5605 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5606 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5607
5608 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5609 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5610 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
5611
5612 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5613 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5614 for the argument @code{x} as well.
5615 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5616 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5617 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5618 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5619 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5620
5621 The functions print in LaTeX format as
5622 @tex
5623 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5624 @end tex
5625 @tex
5626 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5627 @end tex
5628 @tex
5629 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5630 @end tex
5631 @tex
5632 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5633 @end tex
5634 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5635 are printed with a line above, e.g.
5636 @tex
5637 $\zeta(5,\overline{2})$.
5638 @end tex
5639 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5640
5641 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5642 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5643 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5644 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5645
5646 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5647 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5648 the series representation. This means
5649 @tex
5650 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5651 @end tex
5652 @tex
5653 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5654 @end tex
5655 @tex
5656 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5657 @end tex
5658 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5659 is reversed.
5660
5661 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5662 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
5663 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
5664 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5665 @tex
5666 $\zeta(\overline{3},4)$.
5667 @end tex
5668 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5669 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5670 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
5671 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5672 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5673 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5674 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5675
5676 @example
5677 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5678 S(2,2,x)
5679 > H(@{-3,2@},1);
5680 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5681 > S(3,1,1);
5682 1/90*Pi^4
5683 @end example
5684
5685 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5686 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5687 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5688 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5689 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5690 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5691
5692 @example
5693 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5694 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5695 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5696 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5697 @end example
5698
5699 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
5700 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
5701 @tex
5702 $x_i$ the condition
5703 @end tex
5704 @tex
5705 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5706 @end tex
5707
5708 @example
5709 > Digits=100;
5710 100
5711 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5712 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5713 @end example
5714
5715 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5716 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5717
5718 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5719 unevaluated, e.g.
5720 @tex
5721 $\zeta(1)$.
5722 @end tex
5723 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5724 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5725 cancellations of divergencies happen.
5726
5727 Useful publications:
5728
5729 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5730 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5731
5732 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5733 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5734
5735 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5736 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5737
5738 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5739 @c    node-name, next, previous, up
5740 @section Complex Conjugation
5741 @c
5742 @cindex @code{conjugate()}
5743
5744 The method
5745
5746 @example
5747 ex ex::conjugate();
5748 @end example
5749
5750 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5751 conjugation gives the expected results:
5752
5753 @example
5754 @{
5755     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5756     symbol x("x");
5757     realsymbol y("y");
5758                                            
5759     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5760      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5761     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5762      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5763 @}
5764 @end example
5765
5766 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5767 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5768 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5769 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5770 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5771
5772 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5773 @c    node-name, next, previous, up
5774 @section Solving Linear Systems of Equations
5775 @cindex @code{lsolve()}
5776
5777 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5778 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5779 needs to be solved:
5780
5781 @example
5782 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5783 @end example
5784
5785 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5786 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5787 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5788 @code{lst}).
5789
5790 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5791 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5792
5793 @example
5794 @{
5795     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5796     lst eqns, vars;
5797     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5798     vars = x, y;
5799     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5800      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5801 @end example
5802
5803 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5804 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5805 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5806 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5807 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5808 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5809 around that method.
5810
5811
5812 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5813 @c    node-name, next, previous, up
5814 @section Input and output of expressions
5815 @cindex I/O
5816
5817 @subsection Expression output
5818 @cindex printing
5819 @cindex output of expressions
5820
5821 Expressions can simply be written to any stream:
5822
5823 @example
5824 @{
5825     symbol x("x");
5826     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5827     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5828     // ...
5829 @end example
5830
5831 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5832 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5833 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5834 is printed as @samp{x^2}).
5835
5836 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5837 a set of stream manipulators;
5838
5839 @example
5840 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5841 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5842 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5843 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5844 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5845 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5846 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5847 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5848 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5849 @end example
5850
5851 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5852 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5853 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5854
5855 @cindex @code{dflt}
5856 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5857 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5858
5859 @example
5860     // ...
5861     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5862     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5863     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5864     cout << dflt;             // revert to default output format
5865     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5866     // ...
5867 @end example
5868
5869 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5870 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5871
5872 @example
5873     // ...
5874     ostringstream s;
5875     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5876     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5877     // ...
5878 @end example
5879
5880 @cindex @code{csrc}
5881 @cindex @code{csrc_float}
5882 @cindex @code{csrc_double}
5883 @cindex @code{csrc_cl_N}
5884 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5885 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5886 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5887 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5888 classes provided by the CLN library):
5889
5890 @example
5891     // ...
5892     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5893     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5894     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5895     // ...
5896 @end example
5897
5898 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5899 @code{x*x}):
5900
5901 @example
5902 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5903 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5904 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5905 @end example
5906
5907 @cindex @code{tree}
5908 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5909 expression for debugging purposes:
5910
5911 @example
5912     // ...
5913     cout << tree << e;
5914 @}
5915 @end example
5916
5917 produces
5918
5919 @example
5920 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5921     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5922         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5923         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5924     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5925     -----
5926     overall_coeff
5927     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5928     =====
5929 @end example
5930
5931 @cindex @code{latex}
5932 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5933 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5934 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5935 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5936 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5937 constructor.
5938
5939 For example, the code snippet
5940
5941 @example
5942 @{
5943     symbol x("x", "\\circ");
5944     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5945     cout << latex << e << endl;
5946 @}
5947 @end example
5948
5949 will print
5950
5951 @example
5952     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5953 @end example
5954
5955 @cindex @code{index_dimensions}
5956 @cindex @code{no_index_dimensions}
5957 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5958 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5959 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5960 formats:
5961
5962 @example
5963 @{
5964     symbol x("x"), y("y");
5965     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5966     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5967
5968     cout << e << endl;
5969      // prints 'x~mu*y~nu'
5970     cout << index_dimensions << e << endl;
5971      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5972     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5973      // prints 'x~mu*y~nu'
5974 @}
5975 @end example
5976
5977
5978 @cindex Tree traversal
5979 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5980 with other algebra systems or for producing code for different
5981 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5982
5983 @example
5984 static void my_print(const ex & e)
5985 @{
5986     if (is_a<function>(e))
5987         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5988     else
5989         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5990     cout << "(";
5991     size_t n = e.nops();
5992     if (n)
5993         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5994             my_print(e.op(i));
5995             if (i != n-1)
5996                 cout << ",";
5997         @}
5998     else
5999         cout << e;
6000     cout << ")";
6001 @}
6002
6003 int main()
6004 @{
6005     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6006     return 0;
6007 @}
6008 @end example
6009
6010 This will produce
6011
6012 @example
6013 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6014 symbol(y))),numeric(-2)))
6015 @end example
6016
6017 If you need an output format that makes it possible to accurately
6018 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6019 object factory, you should consider storing the expression in an
6020 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6021 See the section on archiving for more information.
6022
6023
6024 @subsection Expression input
6025 @cindex input of expressions
6026
6027 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6028 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6029 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6030 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6031 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6032
6033 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6034 list of symbols to be used:
6035
6036 @example
6037 @{
6038     symbol x("x"), y("y");
6039     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6040 @}
6041 @end example
6042
6043 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6044 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6045 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6046 the list it will throw an exception.
6047
6048 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6049
6050 @example
6051 #include <iostream>
6052 #include <string>
6053 #include <stdexcept>
6054 #include <ginac/ginac.h>
6055 using namespace std;
6056 using namespace GiNaC;
6057
6058 int main()
6059 @{
6060     symbol x("x");
6061     string s;
6062
6063     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6064     getline(cin, s);
6065
6066     try @{
6067         ex e(s, lst(x));
6068         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6069         cout << e.diff(x) << ".\n";
6070     @} catch (exception &p) @{
6071         cerr << p.what() << endl;
6072     @}
6073 @}
6074 @end example
6075
6076
6077 @subsection Archiving
6078 @cindex @code{archive} (class)
6079 @cindex archiving
6080
6081 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6082 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6083 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6084 expression a unique name:
6085
6086 @example
6087 #include <fstream>
6088 using namespace std;
6089 #include <ginac/ginac.h>
6090 using namespace GiNaC;
6091
6092 int main()
6093 @{
6094     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6095
6096     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6097     ex bar = foo + 1;
6098
6099     archive a;
6100     a.archive_ex(foo, "foo");
6101     a.archive_ex(bar, "the second one");
6102     // ...
6103 @end example
6104
6105 The archive can then be written to a file:
6106
6107 @example
6108     // ...
6109     ofstream out("foobar.gar");
6110     out << a;
6111     out.close();
6112     // ...
6113 @end example
6114
6115 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6116 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6117
6118 @cindex @command{viewgar}
6119 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6120 the contents of GiNaC archive files:
6121
6122 @example
6123 $ viewgar foobar.gar
6124 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6125 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6126 @end example
6127
6128 The point of writing archive files is of course that they can later be
6129 read in again:
6130
6131 @example
6132     // ...
6133     archive a2;
6134     ifstream in("foobar.gar");
6135     in >> a2;
6136     // ...
6137 @end example
6138
6139 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6140
6141 @example
6142     // ...
6143     lst syms;
6144     syms = x, y;
6145
6146     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6147     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6148
6149     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6150     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6151     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6152 @}
6153 @end example
6154
6155 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6156 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6157 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6158 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6159 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6160 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6161 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6162 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6163
6164 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6165 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6166 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6167 functions that let you access the stored properties:
6168
6169 @example
6170 static void my_print2(const archive_node & n)
6171 @{
6172     string class_name;
6173     n.find_string("class", class_name);
6174     cout << class_name << "(";
6175
6176     archive_node::propinfovector p;
6177     n.get_properties(p);
6178
6179     size_t num = p.size();
6180     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6181         const string &name = p[i].name;
6182         if (name == "class")
6183             continue;
6184         cout << name << "=";
6185
6186         unsigned count = p[i].count;
6187         if (count > 1)
6188             cout << "@{";
6189
6190         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6191             switch (p[i].type) @{
6192                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6193                     bool x;
6194                     n.find_bool(name, x, j);
6195                     cout << (x ? "true" : "false");
6196                     break;
6197                 @}
6198                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6199                     unsigned x;
6200                     n.find_unsigned(name, x, j);
6201                     cout << x;
6202                     break;
6203                 @}
6204                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6205                     string x;
6206                     n.find_string(name, x, j);
6207                     cout << '\"' << x << '\"';
6208                     break;
6209                 @}
6210                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6211                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6212                     my_print2(x);
6213                     break;
6214                 @}
6215             @}
6216
6217             if (j != count-1)
6218                 cout << ",";
6219         @}
6220
6221         if (count > 1)
6222             cout << "@}";
6223
6224         if (i != num-1)
6225             cout << ",";
6226     @}
6227
6228     cout << ")";
6229 @}
6230
6231 int main()
6232 @{
6233     ex e = pow(2, x) - y;
6234     archive ar(e, "e");
6235     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6236     return 0;
6237 @}
6238 @end example
6239
6240 This will produce:
6241
6242 @example
6243 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6244 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6245 overall_coeff=numeric(number="0"))
6246 @end example
6247
6248 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6249 class may change between GiNaC versions.
6250
6251
6252 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6253 @c    node-name, next, previous, up
6254 @chapter Extending GiNaC
6255
6256 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6257 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6258 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6259 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6260 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6261 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6262
6263 @menu
6264 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6265 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6266 * Printing::                         Adding new output formats.
6267 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6268 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6269 @end menu
6270
6271
6272 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6273 @c    node-name, next, previous, up
6274 @section What doesn't belong into GiNaC
6275
6276 @cindex @command{ginsh}
6277 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6278 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6279 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6280 language.  There are no loops or conditional expressions in
6281 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6282 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6283 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6284 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6285 the future.
6286
6287 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6288 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6289 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6290 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6291 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6292 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6293 provided by CLN are much better suited.
6294
6295
6296 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6297 @c    node-name, next, previous, up
6298 @section Symbolic functions
6299
6300 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6301 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6302 two preprocessor macros:
6303
6304 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6305 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6306 @example
6307 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6308 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6309 @end example
6310
6311 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6312 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6313 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6314 @code{function} object that represents your function.
6315
6316 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6317 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6318 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6319 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6320 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6321 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6322 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6323 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6324
6325 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6326 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6327 done our best to avoid macros where we can.)
6328
6329 @subsection A minimal example
6330
6331 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6332 that is not further evaluated:
6333
6334 @example
6335 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6336
6337 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6338 @end example
6339
6340 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6341 in algebraic expressions:
6342
6343 @example
6344 @{
6345     ...
6346     symbol x("x");
6347     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6348     cout << e << endl;
6349      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6350     ...
6351 @}
6352 @end example
6353
6354 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6355 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6356 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6357 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6358
6359 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6360 example of how to make an "intelligent" function.
6361
6362 @subsection The cosine function
6363
6364 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6365
6366 @example
6367 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6368 @end example
6369
6370 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6371 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6372 this function in expressions.
6373
6374 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6375 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6376
6377 @example
6378 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6379                        evalf_func(cos_evalf).
6380                        derivative_func(cos_deriv).
6381                        latex_name("\\cos"));
6382 @end example
6383
6384 There are four options defined for the cosine function. One of them
6385 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6386 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6387 function are defined.
6388
6389 @cindex @code{hold()}
6390 @cindex evaluation
6391 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6392 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6393 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6394 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6395 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6396 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6397 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6398 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6399 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6400 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6401 somewhere.
6402
6403 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6404 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6405 what is going on):
6406
6407 @example
6408 static ex cos_eval(const ex & x)
6409 @{
6410     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6411         return 1;
6412     else if ("x is a multiple of Pi")
6413         return -1;
6414     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6415         return 0;
6416     // more rules...
6417
6418     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6419         return y;
6420     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6421         return sqrt(1-y^2);
6422     // more rules...
6423
6424     else
6425         return cos(x).hold();
6426 @}
6427 @end example
6428
6429 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6430
6431 @example
6432 @{
6433     ...
6434     e = cos(Pi);
6435      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6436      // the actual expression
6437     cout << e << endl;
6438      // prints '-1'
6439     ...
6440 @}
6441 @end example
6442
6443 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6444 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6445 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6446 with @code{.hold()}.
6447
6448 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6449 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6450 different function:
6451
6452 @example
6453 static ex cos_evalf(const ex & x)
6454 @{
6455     if (is_a<numeric>(x))
6456         return cos(ex_to<numeric>(x));
6457     else
6458         return cos(x).hold();
6459 @}
6460 @end example
6461
6462 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6463 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6464 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6465 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6466 function would require it in this place.
6467
6468 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6469 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6470 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6471 @code{ex::diff}):
6472
6473 @example
6474 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6475 @{
6476     return -sin(x);
6477 @}
6478 @end example
6479
6480 @cindex product rule
6481 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6482 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6483 case the function has more than one parameter, and its main application
6484 is for correct handling of the chain rule.
6485
6486 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6487 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6488 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6489 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6490
6491 @example
6492 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6493                      int order, unsigned options)
6494 @{
6495     // Find the actual expansion point
6496     const ex x_pt = x.subs(rel);
6497
6498     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6499         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6500
6501     // On a pole, expand sin()/cos()
6502     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6503 @}
6504 @end example
6505
6506 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6507 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6508
6509 @subsection Function options
6510
6511 GiNaC functions understand several more options which are always
6512 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6513 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6514 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6515 functions without any special options.
6516
6517 @example
6518 eval_func(<C++ function>)
6519 evalf_func(<C++ function>)
6520 derivative_func(<C++ function>)
6521 series_func(<C++ function>)
6522 conjugate_func(<C++ function>)
6523 @end example
6524
6525 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6526 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6527 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6528 @code{diff()} and @code{series()}.
6529
6530 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6531 automatic evaluation is desired or possible.
6532
6533 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6534 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6535 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6536 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6537 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6538 suitable transformation.
6539
6540 @example
6541 latex_name(const string & n)
6542 @end example
6543
6544 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6545 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6546
6547 @example
6548 do_not_evalf_params()
6549 @end example
6550
6551 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6552 function before calling the @code{evalf_func()}.
6553
6554 @example
6555 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6556 @end example
6557
6558 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6559 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6560 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6561 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6562 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6563 commutation properties of their first argument.
6564
6565 @example
6566 set_symmetry(const symmetry & s)
6567 @end example
6568
6569 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6570 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6571 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6572 symmetric functions into a canonical order.
6573
6574 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6575 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6576 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6577 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6578 with the
6579
6580 @example
6581 print_func<C>(<C++ function>)
6582 @end example
6583
6584 option which is explained in the next section.
6585
6586 @subsection Functions with a variable number of arguments
6587
6588 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6589 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6590 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6591 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6592 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6593
6594 It is also possible to define functions that accept a different number of
6595 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6596 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6597 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6598 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6599 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6600 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6601 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6602 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6603
6604
6605 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6606 @c    node-name, next, previous, up
6607 @section GiNaC's expression output system
6608
6609 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6610 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6611 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6612 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6613 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6614 functions.
6615
6616 @cindex @code{print_context} (class)
6617 @cindex @code{print_dflt} (class)
6618 @cindex @code{print_latex} (class)
6619 @cindex @code{print_tree} (class)
6620 @cindex @code{print_csrc} (class)
6621 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6622 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6623 header file:
6624
6625 @table @code
6626 @item print_dflt
6627 the default output format
6628 @item print_latex
6629 output in LaTeX mathematical mode
6630 @item print_tree
6631 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6632 @item print_csrc
6633 the base class for C source output
6634 @item print_csrc_float
6635 C source output using the @code{float} type
6636 @item print_csrc_double
6637 C source output using the @code{double} type
6638 @item print_csrc_cl_N
6639 C source output using CLN types
6640 @end table
6641
6642 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6643
6644 @example
6645 class print_context
6646 @{
6647     ...
6648 public:
6649     std::ostream & s;
6650     unsigned options;
6651 @};
6652 @end example
6653
6654 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6655 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6656 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6657 to print the index dimension which is normally hidden.
6658
6659 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6660 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6661 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6662 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6663
6664 @cindex @code{print()}
6665 @example
6666 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6667 @end example
6668
6669 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6670 top-level algebraic object contained in the expression.
6671
6672 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6673 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6674 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6675 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6676 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6677 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6678 (single) virtual function dispatch.
6679
6680 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6681 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6682 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6683 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6684 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6685 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6686 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6687 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6688 object's class name enclosed in square brackets).
6689
6690 You can think of the print methods of all the different classes and output
6691 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6692 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6693 classes.
6694
6695 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6696 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6697 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6698 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6699 methods at run-time).
6700
6701 @subsection Print methods for classes
6702
6703 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6704 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6705 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6706 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6707 can also be used to override existing methods dynamically.
6708
6709 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6710 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6711 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6712 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6713 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6714 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6715 the class is the one being implemented by
6716 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6717
6718 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6719 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6720 @code{unsigned}.
6721
6722 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6723 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6724 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6725 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6726 private and protected members of @code{T}.
6727
6728 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6729 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6730 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6731 purposes if you write your own output formats.
6732
6733 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6734 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6735 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6736 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6737
6738 @example
6739 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6740                              const print_latex & c,
6741                              unsigned level)
6742 @{
6743     // get the precedence of the 'power' class
6744     unsigned power_prec = p.precedence();
6745
6746     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6747     // we need parentheses around the power
6748     if (level >= power_prec)
6749         c.s << '(';
6750
6751     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6752     // separated by an uparrow
6753     c.s << '@{';
6754     p.op(0).print(c, power_prec);
6755     c.s << "@}\\uparrow@{";
6756     p.op(1).print(c, power_prec);
6757     c.s << '@}';
6758
6759     // don't forget the closing parenthesis
6760     if (level >= power_prec)
6761         c.s << ')';
6762 @}
6763                                                                                 
6764 int main()
6765 @{
6766     // a sample expression
6767     symbol x("x"), y("y");
6768     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6769
6770     // switch to LaTeX mode
6771     cout << latex;
6772
6773     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6774     cout << e << endl;
6775
6776     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6777     // our own one
6778     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6779
6780     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6781     cout << e << endl;
6782 @}
6783 @end example
6784
6785 Some notes:
6786
6787 @itemize
6788
6789 @item
6790 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6791 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6792
6793 @item
6794 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6795 @code{power} objects for the purpose of printing.
6796
6797 @item
6798 The output of products including negative powers as fractions is also
6799 controlled by the @code{mul} class.
6800
6801 @item
6802 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6803 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6804
6805 @end itemize
6806
6807 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6808 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6809 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6810 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6811 sources, find the method that is installed at startup
6812 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6813 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6814
6815 @subsection Print methods for functions
6816
6817 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6818 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6819 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6820 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6821 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6822
6823 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6824
6825 @example
6826 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6827 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6828                                                                                 
6829 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6830 @{
6831     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6832 @}
6833                                                                                 
6834 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6835 @{
6836     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6837 @}
6838                                                                                 
6839 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6840                        evalf_func(abs_evalf).
6841                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6842                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6843                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6844 @end example
6845
6846 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6847 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6848
6849 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6850
6851 @subsection Adding new output formats
6852
6853 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6854 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6855 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6856 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6857 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6858 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6859 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6860 options value.
6861
6862 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6863
6864 @example
6865 class print_myformat : public print_dflt
6866 @{
6867     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6868 public:
6869     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6870      : print_dflt(os, opt) @{@}
6871 @};
6872
6873 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6874
6875 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6876 @end example
6877
6878 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6879 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6880 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6881 format are implemented as print methods, as described above.
6882
6883 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6884 exactly like GiNaC's default output format:
6885
6886 @example
6887 @{
6888     symbol x("x");
6889     ex e = pow(x, 2) + 1;
6890
6891     // this prints "1+x^2"
6892     cout << e << endl;
6893     
6894     // this also prints "1+x^2"
6895     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6896
6897     ...
6898 @}
6899 @end example
6900
6901 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6902 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6903
6904 @example
6905 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6906 // example above for explanations.
6907 void print_power_as_myformat(const power & p,
6908                              const print_myformat & c,
6909                              unsigned level)
6910 @{
6911     unsigned power_prec = p.precedence();
6912     if (level >= power_prec)
6913         c.s << '(';
6914     p.op(0).print(c, power_prec);
6915     c.s << "**";
6916     p.op(1).print(c, power_prec);
6917     if (level >= power_prec)
6918         c.s << ')';
6919 @}
6920
6921 @{
6922     ...
6923     // install a new print method for power objects
6924     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6925
6926     // now this prints "1+x**2"
6927     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6928
6929     // but the default format is still "1+x^2"
6930     cout << e << endl;
6931 @}
6932 @end example
6933
6934
6935 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6936 @c    node-name, next, previous, up
6937 @section Structures
6938
6939 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6940 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6941 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6942 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6943 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6944
6945 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6946 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6947 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6948 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6949 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6950 read both sections because many common concepts and member functions are
6951 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6952 is most suited to your needs.
6953
6954 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6955 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6956 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6957
6958 @subsection Example: scalar products
6959
6960 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6961 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6962 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6963 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6964 product in a C++ @code{struct}:
6965
6966 @example
6967 #include <iostream>
6968 using namespace std;
6969
6970 #include <ginac/ginac.h>
6971 using namespace GiNaC;
6972
6973 struct sprod_s @{
6974     ex left, right;
6975
6976     sprod_s() @{@}
6977     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6978 @};
6979 @end example
6980
6981 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6982 data structure, we need only one line:
6983
6984 @example
6985 typedef structure<sprod_s> sprod;
6986 @end example
6987
6988 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6989 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6990 expressions like any other GiNaC class:
6991
6992 @example
6993 ...
6994     symbol a("a"), b("b");
6995     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6996 ...
6997 @end example
6998
6999 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7000 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7001 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7002 constructed from an @code{sprod_s} object.
7003
7004 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7005 you could define a little wrapper function like this:
7006
7007 @example
7008 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7009 @{
7010     return sprod(sprod_s(left, right));
7011 @}
7012 @end example
7013
7014 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7015 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7016 @code{get_struct()}:
7017
7018 @example
7019 ...
7020     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7021      // -> a
7022     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7023      // -> b
7024 ...
7025 @end example
7026
7027 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7028
7029 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7030 that deal with scalar products, for example:
7031
7032 @example
7033 ex swap_sprod(ex p)
7034 @{
7035     if (is_a<sprod>(p)) @{
7036         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7037         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7038     @} else
7039         return p;
7040 @}
7041
7042 ...
7043     f = swap_sprod(e);
7044      // f is now <b|a>
7045 ...
7046 @end example
7047
7048 @subsection Structure output
7049
7050 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7051 desired, most notably proper output:
7052
7053 @example
7054 ...
7055     cout << e << endl;
7056      // -> [structure object]
7057 ...
7058 @end example
7059
7060 By default, any structure types you define will be printed as
7061 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7062 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7063 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7064 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7065 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7066 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7067
7068 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7069 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7070
7071 @example
7072 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7073 @{
7074     // tree debug output handled by superclass
7075     if (is_a<print_tree>(c))
7076         inherited::print(c, level);
7077
7078     // get the contained sprod_s object
7079     const sprod_s & sp = get_struct();
7080
7081     // print_context::s is a reference to an ostream
7082     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7083 @}
7084 @end example
7085
7086 Now we can print expressions containing scalar products:
7087
7088 @example
7089 ...
7090     cout << e << endl;
7091      // -> <a|b>
7092     cout << swap_sprod(e) << endl;
7093      // -> <b|a>
7094 ...
7095 @end example
7096
7097 @subsection Comparing structures
7098
7099 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7100 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7101 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7102 and undesired behavior:
7103
7104 @example
7105 ...
7106     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7107      // -> 0
7108     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7109      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7110 ...
7111 @end example
7112
7113 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7114 for objects of type @code{sprod_s}:
7115
7116 @example
7117 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7118 @{
7119     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7120 @}
7121
7122 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7123 @{
7124     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7125 @}
7126 @end example
7127
7128 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7129 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7130 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7131 in the implementation of these operators because they would construct
7132 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7133 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7134 decide which one is algebraically 'less').
7135
7136 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7137 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7138
7139 @example
7140 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7141 @end example
7142
7143 @code{sprod} objects then behave as expected:
7144
7145 @example
7146 ...
7147     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7148      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7149     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7150      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7151     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7152      // -> 0
7153     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7154      // -> 2*<a|b>
7155 ...
7156 @end example
7157
7158 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7159 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7160 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7161 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7162 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7163 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7164
7165 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7166 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7167 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7168 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7169 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7170 undefined value) that the @code{T} class might have.
7171
7172 @subsection Subexpressions
7173
7174 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7175 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7176 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7177
7178 @example
7179 size_t sprod::nops() const
7180 @{
7181     return 2;
7182 @}
7183
7184 ex sprod::op(size_t i) const
7185 @{
7186     switch (i) @{
7187     case 0:
7188         return get_struct().left;
7189     case 1:
7190         return get_struct().right;
7191     default:
7192         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7193     @}
7194 @}
7195 @end example
7196
7197 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7198 @code{sprod} has two other nice side effects:
7199
7200 @itemize @bullet
7201 @item
7202 @code{has()} works as expected
7203 @item
7204 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7205 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7206 @end itemize
7207
7208 @cindex @code{let_op()}
7209 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7210 allows replacing subexpressions:
7211
7212 @example
7213 ex & sprod::let_op(size_t i)
7214 @{
7215     // every non-const member function must call this
7216     ensure_if_modifiable();
7217
7218     switch (i) @{
7219     case 0:
7220         return get_struct().left;
7221     case 1:
7222         return get_struct().right;
7223     default:
7224         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7225     @}
7226 @}
7227 @end example
7228
7229 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7230 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7231 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7232 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7233
7234 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7235 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7236 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7237 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7238 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7239 This is left as an exercise for the reader.
7240
7241 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7242 you can override by specialization to customize the behavior of your
7243 structures. You are referred to the next section for a description of
7244 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7245 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7246 @code{structure<T>} template: archiving.
7247
7248 @subsection Archiving structures
7249
7250 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7251 should first read the next section and then come back here. You're back?
7252 Good.
7253
7254 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7255 specializations for the @code{archive()} member function and the
7256 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7257 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7258 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7259 the class of an object is stored as a string, the class name.
7260
7261 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7262 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7263 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7264 need to provide a different name for each by specializing the
7265 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7266 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7267
7268 @example
7269 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7270
7271 void sprod::archive(archive_node & n) const
7272 @{
7273     inherited::archive(n);
7274     n.add_ex("left", get_struct().left);
7275     n.add_ex("right", get_struct().right);
7276 @}
7277
7278 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7279 @{
7280     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7281     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7282 @}
7283 @end example
7284
7285 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7286 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7287 @code{sprod::unarchive()} function.
7288
7289
7290 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7291 @c    node-name, next, previous, up
7292 @section Adding classes
7293
7294 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7295 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7296 severe of which being that you can't add any new member functions to
7297 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7298 from scratch.
7299
7300 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7301 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7302 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7303 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7304 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7305 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7306 representing tensor products is more involved but this section should give
7307 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7308 classes if you want to implement something more complicated.
7309
7310 @subsection GiNaC's run-time type information system
7311
7312 @cindex hierarchy of classes
7313 @cindex RTTI
7314 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7315 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7316 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7317 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7318 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7319 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7320 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7321 system that provides this kind of information is called a run-time type
7322 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7323 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7324 implements its own, simpler RTTI.
7325
7326 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7327
7328 @itemize @bullet
7329
7330 @item
7331 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7332 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7333 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7334 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7335
7336 @item
7337 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7338 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7339 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7340 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7341 @file{registrar.h} header file.
7342
7343 @end itemize
7344
7345 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7346 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7347 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7348 macros.
7349
7350 @subsection A minimalistic example
7351
7352 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7353 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7354 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7355 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7356 for your own classes.
7357
7358 The code snippets given here assume that you have included some header files
7359 as follows:
7360
7361 @example
7362 #include <iostream>
7363 #include <string>   
7364 #include <stdexcept>
7365 using namespace std;
7366
7367 #include <ginac/ginac.h>
7368 using namespace GiNaC;
7369 @end example
7370
7371 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7372 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7373 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7374 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7375 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7376 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7377
7378 @example
7379 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7380 @end example
7381
7382 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7383 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7384 object from a C or C++ string:
7385
7386 @example
7387 class mystring : public basic
7388 @{
7389     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7390   
7391 public:
7392     mystring(const string &s);
7393     mystring(const char *s);
7394
7395 private:
7396     string str;
7397 @};
7398
7399 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7400 @end example
7401
7402 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7403 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7404 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7405 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7406 the first line after the opening brace of the class definition. The
7407 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7408 source (at global scope, of course, not inside a function).
7409
7410 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7411 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7412 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7413 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7414 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7415 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7416 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7417 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7418
7419 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7420 class:
7421
7422 @itemize
7423
7424 @item
7425 @code{mystring()}, the default constructor.
7426
7427 @item
7428 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7429 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7430 @code{archive_node}.
7431
7432 @item
7433 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7434 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7435 found in an @code{archive_node}.
7436
7437 @item
7438 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7439 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7440 constructor.
7441
7442 @item
7443 @cindex @code{compare_same_type()}
7444 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7445 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7446 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7447 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7448 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7449 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7450 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7451 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7452 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7453 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7454 defined.
7455
7456 @item
7457 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7458 which are the two constructors we declared.
7459
7460 @end itemize
7461
7462 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7463
7464 @example
7465 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7466 @end example
7467
7468 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7469 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7470 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7471 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7472 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7473 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7474 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7475 to the right value manually.
7476
7477 In the default constructor you should set all other member variables to
7478 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7479 member gets set to an empty string automatically).
7480
7481 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7482 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7483 is really simple.  First, the archiving function:
7484
7485 @example
7486 void mystring::archive(archive_node &n) const
7487 @{
7488     inherited::archive(n);
7489     n.add_string("string", str);
7490 @}
7491 @end example
7492
7493 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7494 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7495 deem necessary for representing the object into the passed
7496 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7497 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7498 file.
7499
7500 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7501 function:
7502
7503 @example
7504 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7505 @{
7506     n.find_string("string", str);
7507 @}
7508 @end example
7509
7510 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7511 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7512 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7513 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7514
7515 Finally, the unarchiving function:
7516
7517 @example
7518 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7519 @{
7520     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7521 @}
7522 @end example
7523
7524 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7525 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7526 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7527 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7528 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7529 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7530 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7531 automatically once it is no longer referenced.
7532
7533 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7534 the string members:
7535
7536 @example
7537 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7538 @{
7539     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7540     int cmpval = str.compare(o.str);
7541     if (cmpval == 0)
7542         return 0;
7543     else if (cmpval < 0)
7544         return -1;
7545     else
7546         return 1;
7547 @}
7548 @end example
7549
7550 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7551 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7552 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7553 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7554 all relevant member variables.
7555
7556 Now the only thing missing is our two new constructors:
7557
7558 @example
7559 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7560 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7561 @end example
7562
7563 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7564 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7565
7566 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7567 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7568
7569 @example
7570 ex e = mystring("Hello, world!");
7571 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7572  // -> 1 (true)
7573
7574 cout << e.bp->class_name() << endl;
7575  // -> mystring
7576 @end example
7577
7578 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7579
7580 @example
7581 cout << e << endl;
7582  // -> [mystring object]
7583 @end example
7584
7585 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7586 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7587 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7588 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7589 surrounded by double quotes:
7590
7591 @example
7592 class mystring : public basic
7593 @{
7594     ...
7595 protected:
7596     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7597     ...
7598 @};
7599
7600 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7601 @{
7602     // print_context::s is a reference to an ostream
7603     c.s << '\"' << str << '\"';
7604 @}
7605 @end example
7606
7607 The @code{level} argument is only required for container classes to
7608 correctly parenthesize the output.
7609
7610 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7611 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7612 replace the line
7613
7614 @example
7615 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7616 @end example
7617
7618 with
7619
7620 @example
7621 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7622   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7623 @end example
7624
7625 Let's try again to print the expression:
7626
7627 @example
7628 cout << e << endl;
7629  // -> "Hello, world!"
7630 @end example
7631
7632 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7633 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7634 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7635 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7636 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7637 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7638 way expression output is implemented in GiNaC.
7639
7640 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7641
7642 @example
7643 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7644 cout << e << endl;
7645  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7646 @end example
7647
7648 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7649
7650 @example
7651 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7652 cout << e << endl;
7653  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7654 @end example
7655
7656 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7657 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7658 for your objects.
7659
7660 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7661
7662 @example
7663 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7664 cout << e << endl;
7665  // -> "Wow"^2
7666
7667 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7668 cout << e.expand() << endl;
7669  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7670 @end example
7671
7672 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7673 concatenation. You would have to implement this yourself.
7674
7675 @subsection Automatic evaluation
7676
7677 @cindex evaluation
7678 @cindex @code{eval()}
7679 @cindex @code{hold()}
7680 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7681 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7682 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7683 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7684 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7685 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7686
7687 @example
7688 class mystring : public basic
7689 @{
7690     ...
7691 public:
7692     ex eval(int level = 0) const;
7693     ...
7694 @};
7695
7696 ex mystring::eval(int level) const
7697 @{
7698     string new_str;
7699     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7700         char c = str[i];
7701         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7702             new_str += tolower(c);
7703         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7704             new_str += c;
7705     @}
7706
7707     if (new_str.length() == 0)
7708         return 0;
7709     else
7710         return mystring(new_str).hold();
7711 @}
7712 @end example
7713
7714 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7715 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7716 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7717 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7718 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7719 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7720 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7721 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7722
7723 Let's confirm that it works:
7724
7725 @example
7726 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7727 cout << e << endl;
7728  // -> "helloworld"
7729
7730 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7731 cout << e << endl;
7732  // -> 3*"wow"
7733 @end example
7734
7735 @subsection Optional member functions
7736
7737 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7738 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7739 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7740
7741 @cindex @code{calchash()}
7742 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7743 @example
7744 unsigned calchash() const;
7745 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7746 @end example
7747
7748 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7749 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7750 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7751 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7752 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7753 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7754
7755 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7756 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7757 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7758 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7759
7760 @subsection Other member functions
7761
7762 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7763 might want to provide:
7764
7765 @example
7766 bool info(unsigned inf) const;
7767 ex evalf(int level = 0) const;
7768 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7769 ex derivative(const symbol & s) const;
7770 @end example
7771
7772 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7773 previous section) you will probably want to override
7774
7775 @cindex @code{let_op()}
7776 @example
7777 size_t nops() cont;
7778 ex op(size_t i) const;
7779 ex & let_op(size_t i);
7780 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7781 ex map(map_function & f) const;
7782 @end example
7783
7784 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7785 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7786 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7787
7788 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7789 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7790 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7791 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7792 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7793 should become a need.
7794
7795 That's it. May the source be with you!
7796
7797
7798 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7799 @c    node-name, next, previous, up
7800 @chapter A Comparison With Other CAS
7801 @cindex advocacy
7802
7803 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7804 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7805 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7806 disadvantages over these systems.
7807
7808 @menu
7809 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7810 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7811 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7812 @end menu
7813
7814 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7815 @c    node-name, next, previous, up
7816 @section Advantages
7817
7818 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7819 Algebra Systems, like 
7820
7821 @itemize @bullet
7822
7823 @item
7824 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7825 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7826 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7827 in common C++, which is standardized.
7828
7829 @cindex STL
7830 @item
7831 structured data types: you can build up structured data types using
7832 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7833 using unnamed lists of lists of lists.
7834
7835 @item
7836 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7837 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7838 nice for novice programmers, but dangerous.
7839     
7840 @item
7841 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7842 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7843 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7844
7845 @item
7846 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7847 separating interface and implementation.
7848
7849 @item
7850 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7851 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7852 C++-compilers for free, too.
7853     
7854 @item
7855 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7856 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7857 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7858 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7859 fix bugs in a traditional system.
7860
7861 @item
7862 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7863 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7864 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7865 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7866 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7867 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7868 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7869 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7870 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7871 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7872 FTP-site.
7873
7874 @item
7875 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7876 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7877 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7878 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7879 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7880 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7881 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7882 system (i.e. @emph{Yacas}).
7883
7884 @item
7885 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7886 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7887 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7888 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7889 speed with other CAS.
7890
7891 @end itemize
7892
7893
7894 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7895 @c    node-name, next, previous, up
7896 @section Disadvantages
7897
7898 Of course it also has some disadvantages:
7899
7900 @itemize @bullet
7901
7902 @item
7903 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7904 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7905 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7906 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7907 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7908 not planned for the near future).
7909
7910 @item
7911 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7912 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7913 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7914 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7915 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7916 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7917 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7918 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7919 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7920 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7921 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7922 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7923 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7924 yet ANSI compliant, support all needed features.
7925     
7926 @end itemize
7927
7928
7929 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7930 @c    node-name, next, previous, up
7931 @section Why C++?
7932
7933 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7934 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7935 possible), separation between interface and implementation is not
7936 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7937 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7938 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7939 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7940 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7941 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7942 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7943 any other programming language.
7944
7945
7946 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7947 @c    node-name, next, previous, up
7948 @appendix Internal Structures
7949
7950 @menu
7951 * Expressions are reference counted::
7952 * Internal representation of products and sums::
7953 @end menu
7954
7955 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7956 @c    node-name, next, previous, up
7957 @appendixsection Expressions are reference counted
7958
7959 @cindex reference counting
7960 @cindex copy-on-write
7961 @cindex garbage collection
7962 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7963 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7964 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7965 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7966 skip the rest of this passage.
7967
7968 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7969 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7970 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7971 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7972 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7973 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7974 of code:
7975
7976 @example
7977 #include <iostream>
7978 #include <ginac/ginac.h>
7979 using namespace std;
7980 using namespace GiNaC;
7981
7982 int main()
7983 @{
7984     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7985     ex e1, e2;
7986
7987     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7988     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7989     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7990     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7991     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7992 @}
7993 @end example
7994
7995 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7996 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7997 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7998 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7999 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8000 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8001 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8002 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8003 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8004 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8005 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8006 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8007 can be:
8008
8009 @example
8010 @{
8011     symbol x("x"), y("y");
8012
8013     ex e1 = x + 3*y;
8014     ex e2 = pow(e1, 3);
8015     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8016     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8017          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8018          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8019 @}
8020 @end example
8021
8022 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8023 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8024 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8025 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8026 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8027 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8028 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8029 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8030 @code{3*e1^2}.
8031
8032 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8033 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8034 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8035 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8036 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8037 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8038 semantics, we recommend you have a look at the
8039 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8040 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8041 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8042
8043
8044 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8045 @c    node-name, next, previous, up
8046 @appendixsection Internal representation of products and sums
8047
8048 @cindex representation
8049 @cindex @code{add}
8050 @cindex @code{mul}
8051 @cindex @code{power}
8052 Although it should be completely transparent for the user of
8053 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8054 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8055 unexpanded symbolic expression 
8056 @tex
8057 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8058 @end tex
8059 @ifnottex
8060 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8061 @end ifnottex
8062 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8063 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8064 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8065 fashion:
8066
8067 @image{repnaive}
8068
8069 @cindex pair-wise representation
8070 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8071 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8072 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8073 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8074 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8075 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8076 becomes much more flat:
8077
8078 @image{reppair}
8079
8080 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8081 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8082 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8083 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8084 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8085 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8086 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8087 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8088 representation, however, since they are still carrying a trivial
8089 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8090 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8091 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8092 representation for
8093 @tex
8094 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8095 @end tex
8096 @ifnottex
8097 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8098 @end ifnottex
8099
8100 @image{repreal}
8101
8102 @cindex radical
8103 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8104 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8105 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8106 same abstract class: the data representation is the same, only the
8107 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8108 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8109 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8110
8111
8112 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8113 @c    node-name, next, previous, up
8114 @appendix Package Tools
8115
8116 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8117 setting the correct command line options for the compiler and linker
8118 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8119
8120 @menu
8121 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8122 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8123 @end menu
8124
8125
8126 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8127 @c    node-name, next, previous, up
8128 @section @command{ginac-config}
8129 @cindex ginac-config
8130
8131 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8132 the compiler and linker command line options required to compile and
8133 link a program with the GiNaC library.
8134
8135 @command{ginac-config} takes the following flags:
8136
8137 @table @samp
8138 @item --version
8139 Prints out the version of GiNaC installed.
8140 @item --cppflags
8141 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8142 @item --libs
8143 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8144 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8145 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8146 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8147 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8148 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8149 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8150 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8151 @end table
8152
8153 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8154 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8155 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8156 example:
8157
8158 @example
8159 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8160 @end example
8161
8162 This command line might expand to (for example):
8163
8164 @example
8165 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8166   -lginac -lcln -lstdc++
8167 @end example
8168
8169 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8170 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8171
8172
8173 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8174 @c    node-name, next, previous, up
8175 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8176 @cindex AM_PATH_GINAC
8177
8178 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8179 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8180
8181 @example
8182 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8183 @end example
8184
8185 This macro:
8186
8187 @itemize @bullet
8188
8189 @item
8190 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8191 either found in the user's path, or from the environment variable
8192 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8193
8194 @item
8195 Tests the installed libraries to make sure that their version
8196 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8197 if not specified)
8198
8199 @item
8200 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8201 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8202 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8203 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8204 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8205
8206 @item
8207 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8208 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8209
8210 @end itemize
8211
8212 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8213 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8214 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8215 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8216 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8217
8218 @menu
8219 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8220 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8221 @end menu
8222
8223
8224 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8225 @c    node-name, next, previous, up
8226 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8227
8228 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8229 the configure script.
8230
8231 Notes:
8232
8233 @itemize @bullet
8234
8235 @item
8236 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8237 to be found by your system's dynamic linker.
8238   
8239 This is generally done by
8240
8241 @display
8242 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8243 @end display
8244
8245 or by
8246    
8247 @display
8248 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8249 @end display
8250
8251 or, as a last resort, 
8252  
8253 @display
8254 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8255 running configure, for instance:
8256
8257 @example
8258 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8259 @end example
8260 @end display
8261
8262 @item
8263 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8264 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8265 name of the executable
8266
8267 @item
8268 If you move the GiNaC package from its installed location,
8269 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8270 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8271
8272 @end itemize
8273
8274 Advanced note:
8275
8276 @itemize @bullet
8277 @item
8278 configure flags
8279   
8280 @example
8281 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8282 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8283 @end example
8284
8285 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8286 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8287 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8288 @end itemize
8289
8290
8291 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8292 @c    node-name, next, previous, up
8293 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8294
8295 The following shows how to build a simple package using automake
8296 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8297
8298 @example
8299 #include <iostream>
8300 #include <ginac/ginac.h>
8301
8302 int main()
8303 @{
8304     GiNaC::symbol x("x");
8305     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8306     std::cout << "Derivative of " << a 
8307               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8308     return 0;
8309 @}
8310 @end example
8311
8312 You should first read the introductory portions of the automake
8313 Manual, if you are not already familiar with it.
8314
8315 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8316 configure script:
8317
8318 @example
8319 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8320 AC_INIT(simple.cpp)
8321 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8322
8323 AC_PROG_CXX
8324 AC_PROG_INSTALL
8325 AC_LANG_CPLUSPLUS
8326
8327 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8328   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8329   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8330 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8331
8332 AC_OUTPUT(Makefile)
8333 @end example
8334
8335 The only command in this which is not standard for automake
8336 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8337
8338 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8339 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8340 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8341 the error message `need to have GiNaC installed'
8342
8343 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8344
8345 @example
8346 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8347 bin_PROGRAMS = simple
8348 simple_SOURCES = simple.cpp
8349 @end example
8350
8351 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8352 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8353 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8354 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8355 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8356 adding the lines:
8357
8358 @example
8359 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8360 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8361 @end example
8362
8363 to the @file{Makefile.am}.
8364
8365 To try this example out, create a new directory and add the three
8366 files above to it.
8367
8368 Now execute the following commands:
8369
8370 @example
8371 $ automake --add-missing
8372 $ aclocal
8373 $ autoconf
8374 @end example
8375
8376 You now have a package that can be built in the normal fashion
8377
8378 @example
8379 $ ./configure
8380 $ make
8381 $ make install
8382 @end example
8383
8384
8385 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8386 @c    node-name, next, previous, up
8387 @appendix Bibliography
8388
8389 @itemize @minus{}
8390
8391 @item
8392 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8393
8394 @item
8395 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8396
8397 @item
8398 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8399
8400 @item
8401 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8402
8403 @item
8404 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8405 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8406
8407 @item
8408 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8409 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8410 Academic Press, London
8411
8412 @item
8413 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8414 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8415
8416 @item
8417 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8418 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8419
8420 @item
8421 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8422 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8423
8424 @item
8425 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8426
8427 @end itemize
8428
8429
8430 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8431 @c    node-name, next, previous, up
8432 @unnumbered Concept Index
8433
8434 @printindex cp
8435
8436 @bye