]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
documentation update (Clifford algebra)
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index c86114df5b9e07a415190953923634203d6fae81..25340def8a23344496e1b1e155c664ecedb9b66b 100644 (file)
@@ -23,7 +23,7 @@
 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
 
-Copyright (C) 1999-2001 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright (C) 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
 
 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
 this manual provided the copyright notice and this permission notice
@@ -52,7 +52,7 @@ notice identical to this one.
 
 @page
 @vskip 0pt plus 1filll
-Copyright @copyright{} 1999-2001 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright @copyright{} 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
 @sp 2
 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
 this manual provided the copyright notice and this permission notice
@@ -135,7 +135,7 @@ the near future.
 
 @section License
 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
-language is Copyright @copyright{} 1999-2001 Johannes Gutenberg
+language is Copyright @copyright{} 1999-2002 Johannes Gutenberg
 University Mainz, Germany.
 
 This program is free software; you can redistribute it and/or
@@ -931,10 +931,22 @@ int main()
     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
     
     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
+    ...
+@end example
+
+@cindex @code{I}
+@cindex complex numbers
+The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
+name @code{I}:
+
+@example
+    ...
+    numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
+    numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
 @}
 @end example
 
-It may be tempting to construct numbers writing @code{numeric r(3/2)}.
+It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
@@ -984,13 +996,22 @@ The above example prints the following output to screen:
 
 @example
 in 17 digits:
-0.333333333333333333
-3.14159265358979324
+0.33333333333333333334
+3.1415926535897932385
 in 60 digits:
-0.333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
-3.14159265358979323846264338327950288419716939937510582097494459231
+0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
+3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
 @end example
 
+@cindex rounding
+Note that the last number is not necessarily rounded as you would
+naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
+that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
+numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
+to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
+architectures with differnt word size, the above output might even
+differ with regard to actually computed digits.
+
 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
@@ -1857,9 +1878,9 @@ indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
      // -> 2*A.j.i
     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
-     // -> -B.j.i
+     // -> 0
     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
-          + indexed(B, sy_anti(), j, i, k) << endl;
+          - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
      // -> 0
     ...
 @end example
@@ -1874,8 +1895,8 @@ not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
 dummy nor free indices.
 
 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
-class and dimension and their value must be the same single symbol (an index
-like @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
+class and their value must be the same single symbol (an index like
+@samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
 
@@ -2360,28 +2381,29 @@ ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
-GiNaC may produce incorrect results.
+GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
 
 @cindex @code{dirac_gamma5()}
-There's a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
-gammas and in 4 dimensions equals @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3},
-provided by
+There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
+gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
+@samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
 
 @example
 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
 @end example
 
-@cindex @code{dirac_gamma6()}
-@cindex @code{dirac_gamma7()}
-The two additional functions
+@cindex @code{dirac_gammaL()}
+@cindex @code{dirac_gammaR()}
+The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
+objects, constructed by
 
 @example
-ex dirac_gamma6(unsigned char rl = 0);
-ex dirac_gamma7(unsigned char rl = 0);
+ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
+ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
 @end example
 
-return @code{dirac_ONE(rl) + dirac_gamma5(rl)} and @code{dirac_ONE(rl) - dirac_gamma5(rl)},
-respectively.
+They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
+and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
 
 @cindex @code{dirac_slash()}
 Finally, the function
@@ -2396,9 +2418,11 @@ with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
 
 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
-removed, squares are replaced by their values and @samp{gamma5} is
-anticommuted to the front. The @code{simplify_indexed()} function performs
-contractions in gamma strings, for example
+removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
+and @samp{gammaR} are moved to the front.
+
+The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
+for example
 
 @example
 @{
@@ -3182,11 +3206,11 @@ Some examples:
 b^3+a^3+(x+y)^3
 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
 b^4+a^4+(x+y)^4
-> subs((a+b+c)^2,a+b=x);
+> subs((a+b+c)^2,a+b==x);
 (a+b+c)^2
 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
 (x+c)^2
-> subs(a+2*b,a+b=x);
+> subs(a+2*b,a+b==x);
 a+2*b
 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
@@ -3434,9 +3458,34 @@ int ex::degree(const ex & s);
 int ex::ldegree(const ex & s);
 @end example
 
-which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
-on rational functions, returning the asymptotic degree). To extract
-a coefficient with a certain power from an expanded polynomial you use
+These functions only work reliably if the input polynomial is collected in
+terms of the object @samp{s}. Otherwise, they are only guaranteed to return
+the upper/lower bounds of the exponents. If you need accurate results, you
+have to call @code{expand()} and/or @code{collect()} on the input polynomial.
+For example
+
+@example
+> a=(x+1)^2-x^2;
+(1+x)^2-x^2;
+> degree(a,x);
+2
+> degree(expand(a),x);
+1
+@end example
+
+@code{degree()} also works on rational functions, returning the asymptotic
+degree:
+
+@example
+> degree((x+1)/(x^3+1),x);
+-2
+@end example
+
+If the input is not a polynomial or rational function in the variable @samp{s},
+the behavior of @code{degree()} and @code{ldegree()} is undefined.
+
+To extract a coefficient with a certain power from an expanded
+polynomial you use
 
 @example
 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
@@ -3617,28 +3666,32 @@ GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
-original polynomial and its derivatives.  Any system has an interface
-for this so called square-free factorization.  So we provide one, too:
+original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
+interface for this so called square-free factorization.  So we provide
+one, too:
 @example
 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
 @end example
-Here is an example that by the way illustrates how the result may depend
-on the order of differentiation:
+Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
+result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
+some care with subsequent processing of the result:
 @example
     ...
     symbol x("x"), y("y");
-    ex BiVarPol = expand(pow(x-2*y*x,3) * pow(x+y,2) * (x-y));
+    ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
 
     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
-     // -> (y+x)^2*(-1+6*y+8*y^3-12*y^2)*(y-x)*x^3
+     // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
 
     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
-     // -> (1-2*y)^3*(y+x)^2*(-y+x)*x^3
+     // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
 
     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
      // -> depending on luck, any of the above
     ...
 @end example
+Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
+with this method.
 
 
 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
@@ -3848,14 +3901,14 @@ Only calling the series method makes the last output simplify to
 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
 series raised to the power @math{-2}.
 
-@cindex M@'echain's formula
+@cindex Machin's formula
 As another instructive application, let us calculate the numerical 
 value of Archimedes' constant
 @tex
 $\pi$
 @end tex
 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
-using M@'echain's amazing formula
+using Machin's amazing formula
 @tex
 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
 @end tex
@@ -3873,7 +3926,7 @@ the order term off:
 #include <ginac/ginac.h>
 using namespace GiNaC;
 
-ex mechain_pi(int degr)
+ex machin_pi(int degr)
 @{
     symbol x;
     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
@@ -3888,7 +3941,7 @@ int main()
     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
     ex pi_frac;
     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
-        pi_frac = mechain_pi(i);
+        pi_frac = machin_pi(i);
         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
     @}
@@ -4248,19 +4301,22 @@ and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
 
 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
-list of symbols to be used:
+list of symbols and indices to be used:
 
 @example
 @{
-    symbol x("x"), y("y");
-    ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
+    symbol x("x"), y("y"), p("p");
+    idx i(symbol("i"), 3);
+    ex e("2*x+sin(y)+p.i", lst(x, y, p, i));
 @}
 @end example
 
 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
-output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
-the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
-the list it will throw an exception.
+output operator @code{<<}. The symbols and indices in the string are matched
+by name to the symbols and indices in the list and if GiNaC encounters a
+symbol or index not specified in the list it will throw an exception. Only
+indices whose values are single symbols can be used (i.e. numeric indices
+or compound indices as in "A.(2*n+1)" are not allowed).
 
 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs: