ginac/simp_lor.cpp

   1 /** @file simp_lor.cpp
   2  *
   3  *  Implementation of GiNaC's simp_lor objects.
   4  *  No real implementation yet, to be done.     */
   5
   6 /*
   7  *  GiNaC Copyright (C) 1999 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
   8  *
   9  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  10  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
  11  *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  12  *  (at your option) any later version.
  13  *
  14  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  15  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  17  *  GNU General Public License for more details.
  18  *
  19  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  20  *  along with this program; if not, write to the Free Software
  21  *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  22  */
  23
  24 #include <string>
  25 #include <list>
  26 #include <algorithm>
  27 #include <iostream>
  28 #include <stdexcept>
  29 #include <map>
  30
  31 #include "simp_lor.h"
  32 #include "ex.h"
  33 #include "mul.h"
  34 #include "symbol.h"
  35 #include "debugmsg.h"
  36
  37 #ifndef NO_GINAC_NAMESPACE
  38 namespace GiNaC {
  39 #endif // ndef NO_GINAC_NAMESPACE
  40
  41 //////////
  42 // default constructor, destructor, copy constructor assignment operator and helpers
  43 //////////
  44
  45 // public
  46
  47 simp_lor::simp_lor() : type(invalid)
  48 {
  49     debugmsg("simp_lor default constructor",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
  50     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
  51 }
  52
  53 simp_lor::~simp_lor()
  54 {
  55     debugmsg("simp_lor destructor",LOGLEVEL_DESTRUCT);
  56     destroy(0);
  57 }
  58
  59 simp_lor::simp_lor(simp_lor const & other)
  60 {
  61     debugmsg("simp_lor copy constructor",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
  62     copy (other);
  63 }
  64
  65 simp_lor const & simp_lor::operator=(simp_lor const & other)
  66 {
  67     debugmsg("simp_lor operator=",LOGLEVEL_ASSIGNMENT);
  68     if (this != &other) {
  69         destroy(1);
  70         copy(other);
  71     }
  72     return *this;
  73 }
  74
  75 // protected
  76
  77 void simp_lor::copy(simp_lor const & other)
  78 {
  79     indexed::copy(other);
  80     type=other.type;
  81     name=other.name;
  82 }
  83
  84 void simp_lor::destroy(bool call_parent)
  85 {
  86     if (call_parent) {
  87         indexed::destroy(call_parent);
  88     }
  89 }
  90
  91 //////////
  92 // other constructors
  93 //////////
  94
  95 // protected
  96
  97 simp_lor::simp_lor(simp_lor_types const t) : type(t)
  98 {
  99     debugmsg("simp_lor constructor from simp_lor_types",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
 100     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
 101 }
 102
 103 simp_lor::simp_lor(simp_lor_types const t, ex const & i1, ex const & i2) :
 104     indexed(i1,i2), type(t)
 105 {
 106     debugmsg("simp_lor constructor from simp_lor_types,ex,ex",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
 107     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
 108     GINAC_ASSERT(all_of_type_lorentzidx());
 109 }
 110
 111 simp_lor::simp_lor(simp_lor_types const t, string const & n, ex const & i1) :
 112     indexed(i1), type(t), name(n)
 113 {
 114     debugmsg("simp_lor constructor from simp_lor_types,string,ex",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
 115     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
 116     GINAC_ASSERT(all_of_type_lorentzidx());
 117 }
 118
 119 simp_lor::simp_lor(simp_lor_types const t, string const & n, exvector const & iv) :
 120     indexed(iv), type(t), name(n)
 121 {
 122     debugmsg("simp_lor constructor from simp_lor_types,string,exvector",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
 123     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
 124     GINAC_ASSERT(all_of_type_lorentzidx());
 125 }
 126
 127 simp_lor::simp_lor(simp_lor_types const t, string const & n, exvector * ivp) :
 128     indexed(ivp), type(t), name(n)
 129 {
 130     debugmsg("simp_lor constructor from simp_lor_types,string,exvector*",LOGLEVEL_CONSTRUCT);
 131     tinfo_key=TINFO_simp_lor;
 132     GINAC_ASSERT(all_of_type_lorentzidx());
 133 }
 134
 135 //////////
 136 // functions overriding virtual functions from bases classes
 137 //////////
 138
 139 // public
 140
 141 basic * simp_lor::duplicate() const
 142 {
 143     debugmsg("simp_lor duplicate",LOGLEVEL_DUPLICATE);
 144     return new simp_lor(*this);
 145 }
 146
 147 void simp_lor::printraw(ostream & os) const
 148 {
 149     debugmsg("simp_lor printraw",LOGLEVEL_PRINT);
 150     os << "simp_lor(type=" << (unsigned)type
 151        << ",name=" << name << ",indices=";
 152     printrawindices(os);
 153     os << ",hash=" << hashvalue << ",flags=" << flags << ")";
 154 }
 155
 156 void simp_lor::printtree(ostream & os, unsigned indent) const
 157 {
 158     debugmsg("simp_lor printtree",LOGLEVEL_PRINT);
 159     os << string(indent,' ') << "simp_lor object: "
 160        << "type=" << (unsigned)type
 161        << ", name=" << name << ", ";
 162     os << seq.size() << " indices" << endl;
 163     printtreeindices(os,indent);
 164     os << string(indent,' ') << "hash=" << hashvalue
 165        << " (0x" << hex << hashvalue << dec << ")"
 166        << ", flags=" << flags << endl;
 167 }
 168
 169 void simp_lor::print(ostream & os, unsigned upper_precedence) const
 170 {
 171     debugmsg("simp_lor print",LOGLEVEL_PRINT);
 172     switch (type) {
 173     case simp_lor_g:
 174         os << "g";
 175         break;
 176     case simp_lor_vec:
 177         os << name;
 178         break;
 179     case invalid:
 180     default:
 181         os << "INVALID_SIMP_LOR_OBJECT";
 182         break;
 183     }
 184     printindices(os);
 185 }
 186
 187 void simp_lor::printcsrc(ostream & os, unsigned type, unsigned upper_precedence) const
 188 {
 189     debugmsg("simp_lor print csrc",LOGLEVEL_PRINT);
 190     print(os,upper_precedence);
 191 }
 192
 193 bool simp_lor::info(unsigned inf) const
 194 {
 195     return indexed::info(inf);
 196 }
 197
 198 ex simp_lor::eval(int level) const
 199 {
 200     if (type==simp_lor_g) {
 201         // canonicalize indices
 202         exvector iv=seq;
 203         int sig=canonicalize_indices(iv,false); // symmetric
 204         if (sig!=INT_MAX) {
 205             // something has changed while sorting indices, more evaluations later
 206             if (sig==0) return exZERO();
 207             return ex(sig)*simp_lor(type,name,iv);
 208         }
 209         lorentzidx const & idx1=ex_to_lorentzidx(seq[0]);
 210         lorentzidx const & idx2=ex_to_lorentzidx(seq[1]);
 211         if ((!idx1.is_symbolic())&&(!idx2.is_symbolic())) {
 212             // both indices are numeric
 213             if ((idx1.get_value()==idx2.get_value())) {
 214                 // both on diagonal
 215                 if (idx1.get_value()==0) {
 216                     // (0,0)
 217                     return exONE();
 218                 } else {
 219                     if (idx1.is_covariant()!=idx2.is_covariant()) {
 220                         // (_i,~i) or (~i,_i), i=1..3
 221                         return exONE();
 222                     } else {
 223                         // (_i,_i) or (~i,~i), i=1..3
 224                         return exMINUSONE();
 225                     }
 226                 }
 227             } else {
 228                 // at least one off-diagonal
 229                 return exZERO();
 230             }
 231         } else if (idx1.is_symbolic() &&
 232                    idx1.is_co_contra_pair(idx2)) {
 233             return Dim()-idx1.get_dim_parallel_space();
 234         }
 235     }
 236
 237     return this->hold();
 238 }
 239
 240 // protected
 241
 242 int simp_lor::compare_same_type(basic const & other) const
 243 {
 244     GINAC_ASSERT(other.tinfo() == TINFO_simp_lor);
 245     const simp_lor *o = static_cast<const simp_lor *>(&other);
 246     if (type==o->type) {
 247         if (name==o->name) {
 248             return indexed::compare_same_type(other);
 249         }
 250         return name.compare(o->name);
 251     }
 252     return type < o->type ? -1 : 1;
 253 }
 254
 255 bool simp_lor::is_equal_same_type(basic const & other) const
 256 {
 257     GINAC_ASSERT(other.tinfo() == TINFO_simp_lor);
 258     const simp_lor *o = static_cast<const simp_lor *>(&other);
 259     if (type!=o->type) return false;
 260     if (name!=o->name) return false;
 261     return indexed::is_equal_same_type(other);
 262 }
 263
 264 unsigned simp_lor::return_type(void) const
 265 {
 266     return return_types::commutative;
 267 }
 268
 269 unsigned simp_lor::return_type_tinfo(void) const
 270 {
 271     return tinfo_key;
 272 }
 273
 274 ex simp_lor::thisexprseq(exvector const & v) const
 275 {
 276     return simp_lor(type,name,v);
 277 }
 278
 279 ex simp_lor::thisexprseq(exvector * vp) const
 280 {
 281     return simp_lor(type,name,vp);
 282 }
 283
 284 //////////
 285 // virtual functions which can be overridden by derived classes
 286 //////////
 287
 288 // none
 289
 290 //////////
 291 // non-virtual functions in this class
 292 //////////
 293
 294 // protected
 295
 296 bool simp_lor::all_of_type_lorentzidx(void) const
 297 {
 298     // used only inside of ASSERTs
 299     for (exvector::const_iterator cit=seq.begin(); cit!=seq.end(); ++cit) {
 300         if (!is_ex_of_type(*cit,lorentzidx)) return false;
 301     }
 302     return true;
 303 }
 304
 305 //////////
 306 // static member variables
 307 //////////
 308
 309 // none
 310
 311 //////////
 312 // global constants
 313 //////////
 314
 315 const simp_lor some_simp_lor;
 316 type_info const & typeid_simp_lor=typeid(some_simp_lor);
 317
 318 //////////
 319 // friend functions
 320 //////////
 321
 322 simp_lor lor_g(ex const & mu, ex const & nu)
 323 {
 324     return simp_lor(simp_lor::simp_lor_g,mu,nu);
 325 }
 326
 327 simp_lor lor_vec(string const & n, ex const & mu)
 328 {
 329     return simp_lor(simp_lor::simp_lor_vec,n,mu);
 330 }
 331
 332 ex simplify_simp_lor_mul(ex const & m, scalar_products const & sp)
 333 {
 334     GINAC_ASSERT(is_ex_exactly_of_type(m,mul));
 335     exvector v_contracted;
 336
 337     // collect factors in an exvector, store squares twice
 338     int n=m.nops();
 339     v_contracted.reserve(2*n);
 340     for (int i=0; i<n; ++i) {
 341         ex f=m.op(i);
 342         if (is_ex_exactly_of_type(f,power)&&f.op(1).is_equal(exTWO())) {
 343             v_contracted.push_back(f.op(0));
 344             v_contracted.push_back(f.op(0));
 345         } else {
 346             v_contracted.push_back(f);
 347         }
 348     }
 349
 350     unsigned replacements;
 351     bool something_changed=false;
 352
 353     exvector::iterator it=v_contracted.begin();
 354     while (it!=v_contracted.end()) {
 355         // process only lor_g objects
 356         if (is_ex_exactly_of_type(*it,simp_lor) &&
 357             (ex_to_simp_lor(*it).type==simp_lor::simp_lor_g)) {
 358             simp_lor const & g=ex_to_simp_lor(*it);
 359             GINAC_ASSERT(g.seq.size()==2);
 360             idx const & first_idx=ex_to_lorentzidx(g.seq[0]);
 361             idx const & second_idx=ex_to_lorentzidx(g.seq[1]);
 362             // g_{mu,mu} should have been contracted in simp_lor::eval()
 363             GINAC_ASSERT(!first_idx.is_equal(second_idx));
 364             ex saved_g=*it; // save to restore it later
 365
 366             // try to contract first index
 367             replacements=0;
 368             if (first_idx.is_symbolic()) {
 369                 replacements = subs_index_in_exvector(v_contracted,
 370                                    first_idx.toggle_covariant(),second_idx);
 371                 if (replacements==0) {
 372                     // not contracted, restore g object
 373                     *it=saved_g;
 374                 } else {
 375                     // a contracted index should occur exactly once
 376                     GINAC_ASSERT(replacements==1);
 377                     *it=exONE();
 378                     something_changed=true;
 379                 }
 380             }
 381
 382             // try second index only if first was not contracted
 383             if ((replacements==0)&&(second_idx.is_symbolic())) {
 384                 // first index not contracted, *it is again the original g object
 385                 replacements = subs_index_in_exvector(v_contracted,
 386                                    second_idx.toggle_covariant(),first_idx);
 387                 if (replacements==0) {
 388                     // not contracted except in itself, restore g object
 389                     *it=saved_g;
 390                 } else {
 391                     // a contracted index should occur exactly once
 392                     GINAC_ASSERT(replacements==1);
 393                     *it=exONE();
 394                     something_changed=true;
 395                 }
 396             }
 397         }
 398         ++it;
 399     }
 400
 401     // process only lor_vec objects
 402     bool jump_to_next=false;
 403     exvector::iterator it1=v_contracted.begin();
 404     while (it1!=v_contracted.end()-1) {
 405         if (is_ex_exactly_of_type(*it1,simp_lor) &&
 406             (ex_to_simp_lor(*it1).type==simp_lor::simp_lor_vec)) {
 407             exvector::iterator it2=it1+1;
 408             while ((it2!=v_contracted.end())&&!jump_to_next) {
 409                 if (is_ex_exactly_of_type(*it2,simp_lor) &&
 410                     (ex_to_simp_lor(*it2).type==simp_lor::simp_lor_vec)) {
 411                     simp_lor const & vec1=ex_to_simp_lor(*it1);
 412                     simp_lor const & vec2=ex_to_simp_lor(*it2);
 413                     GINAC_ASSERT(vec1.seq.size()==1);
 414                     GINAC_ASSERT(vec2.seq.size()==1);
 415                     lorentzidx const & idx1=ex_to_lorentzidx(vec1.seq[0]);
 416                     lorentzidx const & idx2=ex_to_lorentzidx(vec2.seq[0]);
 417                     if (idx1.is_symbolic() &&
 418                         idx1.is_co_contra_pair(idx2) &&
 419                         sp.is_defined(vec1,vec2)) {
 420                         *it1=sp.evaluate(vec1,vec2);
 421                         *it2=exONE();
 422                         something_changed=true;
 423                         jump_to_next=true;
 424                     }
 425                 }
 426                 ++it2;
 427             }
 428             jump_to_next=false;
 429         }
 430         ++it1;
 431     }
 432     if (something_changed) {
 433         return mul(v_contracted);
 434     }
 435     return m;
 436 }
 437
 438 ex simplify_simp_lor(ex const & e, scalar_products const & sp)
 439 {
 440     // all simplification is done on expanded objects
 441     ex e_expanded=e.expand();
 442
 443     // simplification of sum=sum of simplifications
 444     if (is_ex_exactly_of_type(e_expanded,add)) {
 445         ex sum=exZERO();
 446         for (int i=0; i<e_expanded.nops(); ++i) {
 447             sum += simplify_simp_lor(e_expanded.op(i),sp);
 448         }
 449         return sum;
 450     }
 451
 452     // simplification of commutative product=commutative product of simplifications
 453     if (is_ex_exactly_of_type(e_expanded,mul)) {
 454         return simplify_simp_lor_mul(e,sp);
 455     }
 456
 457     // cannot do anything
 458     return e_expanded;
 459 }
 460
 461 ex Dim(void)
 462 {
 463     static symbol * d=new symbol("dim");
 464     return *d;
 465 }
 466
 467 //////////
 468 // helper classes
 469 //////////
 470
 471 void scalar_products::reg(simp_lor const & v1, simp_lor const & v2,
 472                           ex const & sp)
 473 {
 474     if (v1.compare_same_type(v2)>0) {
 475         reg(v2,v1,sp);
 476         return;
 477     }
 478     spm[make_key(v1,v2)]=sp;
 479 }
 480
 481 bool scalar_products::is_defined(simp_lor const & v1, simp_lor const & v2) const
 482 {
 483     if (v1.compare_same_type(v2)>0) {
 484         return is_defined(v2,v1);
 485     }
 486     return spm.find(make_key(v1,v2))!=spm.end();
 487 }
 488
 489 ex scalar_products::evaluate(simp_lor const & v1, simp_lor const & v2) const
 490 {
 491     if (v1.compare_same_type(v2)>0) {
 492         return evaluate(v2,v1);
 493     }
 494     return spm.find(make_key(v1,v2))->second;
 495 }
 496
 497 void scalar_products::debugprint(void) const
 498 {
 499     cerr << "map size=" << spm.size() << endl;
 500     for (spmap::const_iterator cit=spm.begin(); cit!=spm.end(); ++cit) {
 501         spmapkey const & k=(*cit).first;
 502         cerr << "item key=((" << k.first.first
 503              << "," << k.first.second << "),";
 504         k.second.printraw(cerr);
 505         cerr << ") value=" << (*cit).second << endl;
 506     }
 507 }
 508
 509 spmapkey scalar_products::make_key(simp_lor const & v1, simp_lor const & v2)
 510 {
 511     GINAC_ASSERT(v1.type==simp_lor::simp_lor_vec);
 512     GINAC_ASSERT(v2.type==simp_lor::simp_lor_vec);
 513     lorentzidx anon=ex_to_lorentzidx(v1.seq[0]).create_anonymous_representative();
 514     GINAC_ASSERT(anon.is_equal_same_type(ex_to_lorentzidx(v2.seq[0]).create_anonymous_representative()));
 515     return spmapkey(strstrpair(v1.name,v2.name),anon);
 516 }
 517
 518 #ifndef NO_GINAC_NAMESPACE
 519 } // namespace GiNaC
 520 #endif // ndef NO_GINAC_NAMESPACE