]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
dirac_trace() now takes three arguments
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index 1b015150cafd0ad71af698c2b4ad50ec44a366b0..3cb6607cc441ec6fa65d2ca527e095aa647f6023 100644 (file)
@@ -366,13 +366,15 @@ polynomials):
 
 @example
 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
--3*y^4+x^4+12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y
+12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
--y^2+x^2+4*x*y
+4*x*y-y^2+x^2
 > expand(a*b);
-3*y^6+x^6-24*x*y^5+43*x^2*y^4+16*x^3*y^3+17*x^4*y^2+8*x^5*y
-> collect(a*b,x);
-3*y^6+48*x*y^4+2*x^2*y^2+x^4*(-y^2+x^2+4*x*y)+4*x^3*y*(-y^2+x^2+4*x*y)
+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
+> collect(a+b,x);
+4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
+> collect(a+b,y);
+12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
 > normal(a/b);
 3*y^2+x^2
 @end example
@@ -664,6 +666,7 @@ meta-class for storing all mathematical objects.
 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
+* Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
 @end menu
 
 
@@ -744,6 +747,7 @@ $\pi$
 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
+@item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
 @tex
 $\sqrt{2}$
@@ -761,6 +765,7 @@ $\sqrt{2}$
 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
 @item @code{varidx} @tab Index with variance
+@item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
 @end multitable
 @end cartouche
 
@@ -800,7 +805,7 @@ for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
-can use the expression's @code{.subs()} method (@xref{Substituting Symbols},
+can use the expression's @code{.subs()} method (@xref{Substituting Expressions},
 for more information).
 
 
@@ -1227,7 +1232,7 @@ however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
 @code{expand()} must be called explicitly.
 
 
-@node Indexed objects, Methods and Functions, Relations, Basic Concepts
+@node Indexed objects, Non-commutative objects, Relations, Basic Concepts
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Indexed objects
 
@@ -1257,7 +1262,8 @@ Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
-a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant).
+a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
+@code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
 
 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
@@ -1266,10 +1272,11 @@ one or more indices.
 @end itemize
 
 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
-without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are denoted
-@samp{~i}. In the following, we are going to use that notation in the text
-so instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions
-are not visible in the output.
+without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
+denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
+value. In the following, we are going to use that notation in the text so
+instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
+not visible in the output.
 
 A simple example shall illustrate the concepts:
 
@@ -1407,13 +1414,57 @@ ex varidx::toggle_variance(void);
 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
 variance. By using it you only have to define the index once.
 
+@cindex @code{spinidx} (class)
+The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
+used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
+
+@example
+    ...
+    symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
+    spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
+                                            // contravariant, undotted
+    spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
+    spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
+    spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
+
+    cout << indexed(K, C, D) << endl;
+     // -> K~C~D
+    cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
+     // -> K.C~*D
+    cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
+     // -> K.*D~D
+    ...
+@end example
+
+A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
+dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
+supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
+methods
+
+@example
+bool spinidx::is_dotted(void);
+bool spinidx::is_undotted(void);
+@end example
+
+allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
+@code{ex_to_spinidx()} to get the object reference from an expression).
+Finally, the two methods
+
+@example
+ex spinidx::toggle_dot(void);
+ex spinidx::toggle_variance_dot(void);
+@end example
+
+create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
+and the same or opposite variance.
+
 @subsection Substituting indices
 
 @cindex @code{subs()}
 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
-is done for symbols (see @ref{Substituting Symbols}).
+is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
 
 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
 by another index or expression:
@@ -1495,7 +1546,8 @@ 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
-@code{varidx}, they must also be of opposite variance.
+@code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
+@code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
 
 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
@@ -1691,6 +1743,50 @@ It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
 @}
 @end example
 
+@cindex @code{spinor_metric()}
+@subsubsection Spinor metric tensor
+
+The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
+two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
+It is output as @samp{eps}:
+
+@example
+@{
+    symbol psi("psi");
+
+    spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
+    ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
+
+    e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> psi~A
+
+    e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> -psi~B
+
+    e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> -psi.A
+
+    e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> psi.B
+
+    e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> 2
+
+    e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> -delta.A~C
+@}
+@end example
+
+The matrix representation of the spinor metric is @code{[[ [[ 0, 1 ]], [[ -1, 0 ]]}.
+
+@cindex @code{epsilon_tensor()}
+@cindex @code{lorentz_eps()}
 @subsubsection Epsilon tensor
 
 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
@@ -1757,7 +1853,368 @@ one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
 of the metric tensor.
 
 
-@node Methods and Functions, Information About Expressions, Indexed objects, Top
+@node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
+@c    node-name, next, previous, up
+@section Non-commutative objects
+
+GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
+non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
+physics:
+
+@itemize
+@item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
+@item su(3) Lie algebra (class @code{color})
+@item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
+@end itemize
+
+The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
+@code{indexed} because the elements of these algebras ususally carry
+indices.
+
+Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
+operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
+arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
+classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
+the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
+figuring out by itself which objects commute and will group the factors
+by their class. Consider this example:
+
+@example
+    ...
+    varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
+    idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
+    ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
+    cout << e << endl;
+     // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
+    ...
+@end example
+
+As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
+groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
+together while preserving the order of factors within each class (because
+Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
+@emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
+products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
+parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
+
+@cindex @code{ncmul} (class)
+Non-commutative products are internally represented by objects of the class
+@code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
+@code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
+though.
+
+The advantage of this approach is that you never have to worry about using
+(or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
+expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
+than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
+canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
+of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
+the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
+always commute and it's not possible to construct non-commutative products
+using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
+functions can, however, be specified as being non-commutative.
+
+@cindex @code{return_type()}
+@cindex @code{return_type_tinfo()}
+Information about the commutativity of an object or expression can be
+obtained with the two member functions
+
+@example
+unsigned ex::return_type(void) const;
+unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
+@end example
+
+The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
+the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
+expressions in GiNaC:
+
+@itemize
+@item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
+  classes are of this kind.
+@item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
+  certain class of non-commutative objects which can be determined with the
+  @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
+  with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
+  class.
+@item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
+  of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
+  category don't commute with any other @code{noncommutative} or
+  @code{noncommutative_composite} expressions.
+@end itemize
+
+The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
+when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
+value that is unique to the class of the object and usually one of the
+constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
+
+Here are a couple of examples:
+
+@cartouche
+@multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
+@item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
+@item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
+@item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
+@item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
+@item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
+@item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
+@item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
+@end multitable
+@end cartouche
+
+Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
+@code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
+Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
+but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
+for color objects.
+
+
+@cindex @code{clifford} (class)
+@subsection Clifford algebra
+
+@cindex @code{dirac_gamma()}
+Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
+doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
+@samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
+is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
+
+@example
+ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
+range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
+algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
+labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
+the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
+indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
+
+@cindex @code{dirac_ONE()}
+The unity element of a Clifford algebra is constructed by
+
+@example
+ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+@cindex @code{dirac_gamma5()}
+and 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
+
+@example
+ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+@cindex @code{dirac_gamma6()}
+@cindex @code{dirac_gamma7()}
+The two additional functions
+
+@example
+ex dirac_gamma6(unsigned char rl = 0);
+ex dirac_gamma7(unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+return @code{dirac_ONE(rl) + dirac_gamma5(rl)} and @code{dirac_ONE(rl) - dirac_gamma5(rl)},
+respectively.
+
+@cindex @code{dirac_slash()}
+Finally, the function
+
+@example
+ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+creates a term of the form @samp{e.mu gamma~mu} with a new and unique index
+whose dimension is given by the @code{dim} argument.
+
+The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings
+if possible, for example
+
+@example
+@{
+    ...
+    symbol a("a"), b("b"), D("D");
+    varidx mu(symbol("mu"), D);
+    ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
+         * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
+    cout << e << endl;
+     // -> (gamma~mu*gamma~symbol10*gamma.mu)*a.symbol10
+    e = e.simplify_indexed();
+    cout << e << endl;
+     // -> -gamma~symbol10*a.symbol10*D+2*gamma~symbol10*a.symbol10
+    cout << e.subs(D == 4) << endl;
+     // -> -2*gamma~symbol10*a.symbol10
+     // [ == -2 * dirac_slash(a, D) ]
+    ...
+@}
+@end example
+
+@cindex @code{dirac_trace()}
+To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
+you use the function
+
+@example
+ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
+@end example
+
+This function takes the trace of all gammas with the specified representation
+label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
+@code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
+element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
+functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
+In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
+acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
+This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
+@cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
+
+The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
+@math{D != 4} dimensions:
+
+@example
+@{
+    // 4 dimensions
+    varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
+    ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
+           dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
+    cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
+     // -> -8*eta~rho~nu
+@}
+...
+@{
+    // D dimensions
+    symbol D("D");
+    varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
+    ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
+           dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
+    cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
+     // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
+@}
+@end example
+
+Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
+appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
+QED:
+
+@example
+@{
+    symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
+    varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
+
+    scalar_products sp;
+    sp.add(l, l, pow(l, 2));
+    sp.add(l, q, ldotq);
+
+    ex e = dirac_gamma(mu) *
+           (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
+           dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
+           (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
+    e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
+    e = e.collect(lst(l, ldotq, m), true);
+    cout << e << endl;
+     // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
+@}
+@end example
+
+
+@cindex @code{color} (class)
+@subsection Color algebra
+
+@cindex @code{color_T()}
+For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
+and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
+elements @math{T_a} are constructed by the function
+
+@example
+ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
+range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
+algebras. Objects with different labels commute with each other. The
+dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
+not @code{varidx}.
+
+@cindex @code{color_ONE()}
+The unity element of a color algebra is constructed by
+
+@example
+ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+@cindex @code{color_d()}
+@cindex @code{color_f()}
+and the functions
+
+@example
+ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
+ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
+@end example
+
+create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
+@math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
+and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
+
+@cindex @code{color_h()}
+There's an additional function
+
+@example
+ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
+@end example
+
+which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
+
+The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
+expressions containing color objects:
+
+@example
+@{
+    ...
+    idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
+        k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
+
+    e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> 0
+
+    e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> 5/3*delta.k.l
+
+    e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> 3*delta.k.l
+
+    e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> -32/3
+
+    e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
+    cout << e.simplify_indexed() << endl;
+     // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
+    ...
+@end example
+
+@cindex @code{color_trace()}
+To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
+function
+
+@example
+ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
+@end example
+
+This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
+specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
+standing. For example:
+
+@example
+    ...
+    e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
+    cout << e << endl;
+     // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
+@}
+@end example
+
+
+@node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
 @c    node-name, next, previous, up
 @chapter Methods and Functions
 @cindex polynomial
@@ -1799,7 +2256,7 @@ avoided.
 
 @menu
 * Information About Expressions::
-* Substituting Symbols::
+* Substituting Expressions::
 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
 * Symbolic Differentiation::
@@ -1809,7 +2266,7 @@ avoided.
 @end menu
 
 
-@node Information About Expressions, Substituting Symbols, Methods and Functions, Methods and Functions
+@node Information About Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Getting information about expressions
 
@@ -1819,14 +2276,18 @@ avoided.
 @cindex @code{ex_to_@dots{}}
 @cindex @code{Converting ex to other classes}
 @cindex @code{info()}
+@cindex @code{return_type()}
+@cindex @code{return_type_tinfo()}
 
 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
-GiNaC provides two functions for this (the first one is actually a macro):
+GiNaC provides a couple of functions for this (the first one is actually a macro):
 
 @example
 bool is_ex_of_type(const ex & e, TYPENAME t);
 bool ex::info(unsigned flag);
+unsigned ex::return_type(void) const;
+unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
 @end example
 
 When the test made by @code{is_ex_of_type()} returns true, it is safe to
@@ -1935,6 +2396,11 @@ table:
 @end multitable
 @end cartouche
 
+To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
+so, with which other expressions it would commute, you use the methods
+@code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
+for an explanation of these.
+
 
 @subsection Accessing subexpressions
 @cindex @code{nops()}
@@ -2010,12 +2476,13 @@ GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
 expressions will give very surprising results.
 
 
-@node Substituting Symbols, Polynomial Arithmetic, Information About Expressions, Methods and Functions
+@node Substituting Expressions, Polynomial Arithmetic, Information About Expressions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
-@section Substituting symbols
+@section Substituting expressions
 @cindex @code{subs()}
 
-Symbols can be replaced with expressions via the @code{.subs()} method:
+Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
+expressions via the @code{.subs()} method:
 
 @example
 ex ex::subs(const ex & e);
@@ -2023,30 +2490,55 @@ ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls);
 @end example
 
 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
-@samp{symbol == expression} or a @code{lst} of such relationals. E.g.
+@samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
 
 @example
 @{
     symbol x("x"), y("y");
+
     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
+     // -> 73
+
     ex e2 = x*y + x;
     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
+     // -> -10
 @}
 @end example
 
-will print @samp{73} and @samp{-10}, respectively.
+@code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
+object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
+following example:
+
+@example
+@{
+    symbol x("x"), y("y"), z("z");
+
+    ex e1 = pow(x+y, 2);
+    cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
+     // -> 16
+
+    ex e2 = sin(x)*cos(x);
+    cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
+     // -> cos(x)^2
+
+    ex e3 = x+y+z;
+    cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
+     // -> x+y+z
+     // (and not 4+z as one might expect)
+@}
+@end example
 
 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
 
-The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the symbols and
-one for the expressions to be substituted (both lists must contain the same
-number of elements). Using this form, you would write @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))}
-to exchange @samp{x} and @samp{y}.
+The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
+replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
+contain the same number of elements). Using this form, you would write
+@code{subs(lst(x, y), lst(y, x))} to exchange @samp{x} and @samp{y}.
 
 
-@node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Substituting Symbols, Methods and Functions
+@node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Polynomial arithmetic
 
@@ -2083,11 +2575,16 @@ being polynomials in the remaining variables.  The method
 @code{collect()} accomplishes this task:
 
 @example
-ex ex::collect(const ex & s);
+ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
 @end example
 
+The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
+case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
+in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
+by the @code{distributed} flag.
+
 Note that the original polynomial needs to be in expanded form in order
-to be able to find the coefficients properly.
+for @code{collect()} to be able to find the coefficients properly.
 
 @subsection Degree and coefficients
 @cindex @code{degree()}
@@ -2158,6 +2655,29 @@ As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
 within the user's sphere of influence.
 
+@code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
+@code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
+with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
+constants, functions and indexed objects as well:
+
+@example
+@{
+    symbol a("a"), b("b"), c("c");
+    idx i(symbol("i"), 3);
+
+    ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
+    cout << e.degree(cos(x)) << endl;
+     // -> 4
+    cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
+     // -> -4*cos(x)
+
+    e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
+    e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
+    cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
+     // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
+@}
+@end example
+
 
 @subsection Polynomial division
 @cindex polynomial division
@@ -2686,6 +3206,7 @@ the method
 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0);
 @end example
 
+@cindex @code{print_context} (class)
 The type of @code{print_context} object passed in determines the format
 of the output. The possible types are defined in @file{ginac/print.h}.
 All constructors of @code{print_context} and derived classes take an
@@ -2721,7 +3242,7 @@ double d = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
 cl_N n = (cln::cl_F("3.0")/cln::cl_F("2.0"))*(x*x)+cln::cl_F("4.5");
 @end example
 
-The @code{print_context} type @code{print_tree} provdes a dump of the
+The @code{print_context} type @code{print_tree} provides a dump of the
 internal structure of an expression for debugging purposes:
 
 @example
@@ -2747,6 +3268,72 @@ add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
 This kind of output is also available in @command{ginsh} as the @code{print()}
 function.
 
+Another useful output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
+It is rather similar to the default @code{print_context} but provides
+some braces needed by LaTeX for delimiting boxes and also converts some
+common objects to conventional LaTeX names. It is possible to give symbols
+a special name for LaTeX output by supplying it as a second argument to
+the @code{symbol} constructor.
+
+For example, the code snippet
+
+@example
+    // ...
+    symbol x("x");
+    ex foo = lgamma(x).series(x==0,3);
+    foo.print(print_latex(std::cout));
+@end example
+
+will print out:
+
+@example
+    @{(-\ln(x))@}+@{(-\gamma_E)@} x+@{(1/12 \pi^2)@} x^@{2@}+\mathcal@{O@}(x^3)
+@end example
+
+If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
+with other algebra systems or for producing code for different
+programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
+
+@example
+static void my_print(const ex & e)
+@{
+    if (is_ex_of_type(e, function))
+        cout << ex_to_function(e).get_name();
+    else
+        cout << e.bp->class_name();
+    cout << "(";
+    unsigned n = e.nops();
+    if (n)
+        for (unsigned i=0; i<n; i++) @{
+            my_print(e.op(i));
+            if (i != n-1)
+                cout << ",";
+        @}
+    else
+        cout << e;
+    cout << ")";
+@}
+
+int main(void)
+@{
+    my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
+    return 0;
+@}
+@end example
+
+This will produce
+
+@example
+add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
+symbol(y))),numeric(-2)))
+@end example
+
+If you need an output format that makes it possible to accurately
+reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
+object factory, you should consider storing the expression in an
+@code{archive} object and reading the object properties from there.
+See the section on archiving for more information.
+
 
 @subsection Expression input
 @cindex input of expressions
@@ -2887,6 +3474,92 @@ have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
 the program, altough both would appear as @samp{x} when printed.
 
+You can also use the information stored in an @code{archive} object to
+output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
+@code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
+functions that let you access the stored properties:
+
+@example
+static void my_print2(const archive_node & n)
+@{
+    string class_name;
+    n.find_string("class", class_name);
+    cout << class_name << "(";
+
+    archive_node::propinfovector p;
+    n.get_properties(p);
+
+    unsigned num = p.size();
+    for (unsigned i=0; i<num; i++) @{
+        const string &name = p[i].name;
+        if (name == "class")
+            continue;
+        cout << name << "=";
+
+        unsigned count = p[i].count;
+        if (count > 1)
+            cout << "@{";
+
+        for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
+            switch (p[i].type) @{
+                case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
+                    bool x;
+                    n.find_bool(name, x);
+                    cout << (x ? "true" : "false");
+                    break;
+                @}
+                case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
+                    unsigned x;
+                    n.find_unsigned(name, x);
+                    cout << x;
+                    break;
+                @}
+                case archive_node::PTYPE_STRING: @{
+                    string x;
+                    n.find_string(name, x);
+                    cout << '\"' << x << '\"';
+                    break;
+                @}
+                case archive_node::PTYPE_NODE: @{
+                    const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
+                    my_print2(x);
+                    break;
+                @}
+            @}
+
+            if (j != count-1)
+                cout << ",";
+        @}
+
+        if (count > 1)
+            cout << "@}";
+
+        if (i != num-1)
+            cout << ",";
+    @}
+
+    cout << ")";
+@}
+
+int main(void)
+@{
+    ex e = pow(2, x) - y;
+    archive ar(e, "e");
+    my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
+    return 0;
+@}
+@end example
+
+This will produce:
+
+@example
+add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
+symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
+overall_coeff=numeric(number="0"))
+@end example
+
+Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
+class may change between GiNaC versions.
 
 
 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
@@ -3480,7 +4153,7 @@ ex mystring::eval(int level) const
     @}
 
     if (new_str.length() == 0)
-        return _ex0();
+        return 0;
     else
         return mystring(new_str).hold();
 @}
@@ -4138,6 +4811,9 @@ and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell
 J.H. Davenport, Y. Siret, and E. Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
 Academic Press, London
 
+@item
+@cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, D. Kreimer, hep-ph/9401354
+
 @end itemize