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[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
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@@ -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) 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright (C) 1999-2001 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{} 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright @copyright{} 1999-2001 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{} 1999-2000 Johannes Gutenberg
+language is Copyright @copyright{} 1999-2001 Johannes Gutenberg
 University Mainz, Germany.
 
 This program is free software; you can redistribute it and/or
@@ -684,8 +684,8 @@ ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
 @end example
 
-Expressions are handles to other more fundamental objects, that many
-times contain other expressions thus creating a tree of expressions
+Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
+contain other expressions thus creating a tree of expressions
 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
@@ -707,36 +707,26 @@ mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
 helpers) are internally derived from one abstract base class called
 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
-containers of expressions and so on.  You'll soon learn in this chapter
-how many of the functions on symbols are really classes.  This is
-because simple symbolic arithmetic is not supported by languages like
-C++ so in a certain way GiNaC has to implement its own arithmetic.
+containers of expressions and so on.
 
 @cindex container
 @cindex atom
 To get an idea about what kinds of symbolic composits may be built we
-have a look at the most important classes in the class hierarchy.  The
-oval classes are atomic ones and the squared classes are containers.
-The dashed line symbolizes a `points to' or `handles' relationship while
-the solid lines stand for `inherits from' relationship in the class
-hierarchy:
+have a look at the most important classes in the class hierarchy and
+some of the relations among the classes:
 
 @image{classhierarchy}
 
-Some of the classes shown here (the ones sitting in white boxes) are
-abstract base classes that are of no interest at all for the user.  They
-are used internally in order to avoid code duplication if two or more
-classes derived from them share certain features.  An example would be
-@code{expairseq}, which is a container for a sequence of pairs each
-consisting of one expression and a number (@code{numeric}).  What
-@emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add} and
-@code{mul}, representing sums of terms and products, respectively.
-@xref{Internal Structures}, where these two classes are described in
-more detail.
-
-At this point, we only summarize what kind of mathematical objects are
-stored in the different classes in above diagram in order to give you a
-overview:
+The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
+interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
+duplication if two or more classes derived from them share certain
+features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
+pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
+What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
+and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
+Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
+following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
+are stored in the different classes:
 
 @cartouche
 @multitable @columnfractions .22 .78
@@ -749,8 +739,8 @@ $\pi$
 @math{Pi}
 @end ifnottex
 @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{a*(x+y+z)*b*2}
+@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{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
 @tex
 $\sqrt{2}$
@@ -759,15 +749,14 @@ $\sqrt{2}$
 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
 @end ifnottex
 @dots{}
-@item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x+1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
+@item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
 @item @code{lst} @tab Lists of expressions [@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}]
 @item @code{matrix} @tab @math{n}x@math{m} matrices of expressions
 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
-@item @code{color} @tab Element of the @math{SU(3)} Lie-algebra
+@item @code{color}, @code{coloridx} @tab Element and index of the @math{SU(3)} Lie-algebra
 @item @code{isospin} @tab Element of the @math{SU(2)} Lie-algebra
-@item @code{idx} @tab Index of a tensor object
-@item @code{coloridx} @tab Index of a @math{SU(3)} tensor
+@item @code{idx} @tab Index of a general tensor object
 @end multitable
 @end cartouche
 
@@ -1232,13 +1221,19 @@ a relation between them that signals equality, inequality and so on.
 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
 
-@xref{Mathematical functions}, for examples where various applications of
-the @code{.subs()} method show how objects of class relational are used
-as arguments.  There they provide an intuitive syntax for substitutions.
-They can also used for creating systems of equations that are to be
-solved for unknown variables.  More applications of this class will
-appear throughout the next chapters.
-
+@xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
+of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
+used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
+substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
+method, where the left hand side of the relation specifies the variable
+to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
+be used for creating systems of equations that are to be solved for
+unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
+is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
+(expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
+conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
+however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
+@code{expand()} must be called explicitly.
 
 
 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Relations, Top
@@ -1305,6 +1300,9 @@ avoided.
 
 @subsection Checking expression types
 @cindex @code{is_ex_of_type()}
+@cindex @code{ex_to_numeric()}
+@cindex @code{ex_to_@dots{}}
+@cindex @code{Converting ex to other classes}
 @cindex @code{info()}
 
 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
@@ -1316,6 +1314,20 @@ bool is_ex_of_type(const ex & e, TYPENAME t);
 bool ex::info(unsigned flag);
 @end example
 
+When the test made by @code{is_ex_of_type()} returns true, it is safe to
+call one of the functions @code{ex_to_@dots{}}, where @code{@dots{}} is
+one of the class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all
+classes). For example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
+
+@example
+@{
+    @dots{}
+    if (is_ex_of_type(e, numeric))
+        numeric n = ex_to_numeric(e);
+    @dots{}
+@}
+@end example
+
 @code{is_ex_of_type()} allows you to check whether the top-level object of
 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{t}
 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
@@ -1402,7 +1414,9 @@ table:
 @item @code{crational_polynomial}
 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
 @item @code{rational_function}
-@tab @dots{}a rational function
+@tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
+@item @code{algebraic}
+@tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
 @end multitable
 @end cartouche
 
@@ -1474,7 +1488,7 @@ bool ex::is_zero();
 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
 respectively.
 
-@strong{Warning:} You will also find a @code{ex::compare()} method in the
+@strong{Warning:} You will also find an @code{ex::compare()} method in the
 GiNaC header files. This method is however only to be used internally by
 GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
 expressions will give very surprising results.
@@ -2044,6 +2058,8 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 @tab exponential function
 @item @code{log(x)}
 @tab natural logarithm
+@item @code{Li2(x)}
+@tab Dilogarithm
 @item @code{zeta(x)}
 @tab Riemann's zeta function
 @item @code{zeta(n, x)}
@@ -2071,10 +2087,19 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 
 @cindex branch cut
 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
-the conventions for C++ as defined in the ANSI standard.  In particular:
-the natural logarithm (@code{log}) and the square root (@code{sqrt})
-both have their branch cuts running along the negative real axis where
-the points on the axis itself belong to the upper part.
+the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
+possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
+square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
+negative real axis where the points on the axis itself belong to the
+upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
+trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
+arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
+conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
+definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
+convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
+serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
+standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
+compatible with C99.
 
 
 @node Input/Output, Extending GiNaC, Built-in Functions, Methods and Functions
@@ -2344,11 +2369,13 @@ provided by @acronym{CLN} are much better suited.
 @section Symbolic functions
 
 The easiest and most instructive way to start with is probably to
-implement your own function.  Objects of class @code{function} are
-inserted into the system via a kind of `registry'.  They get a serial
-number that is used internally to identify them but you usually need not
-worry about this.  What you have to care for are functions that are
-called when the user invokes certain methods.  These are usual
+implement your own function.  GiNaC's functions are objects of class
+@code{function}.  The preprocessor is then used to convert the function
+names to objects with a corresponding serial number that is used
+internally to identify them.  You usually need not worry about this
+number.  New functions may be inserted into the system via a kind of
+`registry'.  It is your responsibility to care for some functions that
+are called when the user invokes certain methods.  These are usual
 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
@@ -2403,7 +2430,7 @@ enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
 write another method for Laurent expansion around that point.
 
-Now that all the ingrediences for @code{cos} have been set up, we need
+Now that all the ingredients for @code{cos} have been set up, we need
 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
 going to descibe how it expands, please consult your preprocessor if you
 are curious:
@@ -2964,9 +2991,9 @@ AC_PROG_CXX
 AC_PROG_INSTALL
 AC_LANG_CPLUSPLUS
 
-AM_PATH_GINAC(0.4.0, [
+AM_PATH_GINAC(0.7.0, [
   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
-  CPPFLAGS="$CFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
+  CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
 
 AC_OUTPUT(Makefile)
@@ -2975,13 +3002,10 @@ AC_OUTPUT(Makefile)
 The only command in this which is not standard for automake
 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
 
-That command does the following:
-
-@display
-If a GiNaC version greater than 0.4.0 is found, adds @env{$GINACLIB_LIBS} to 
-@env{$LIBS} and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, dies
-with the error message `need to have GiNaC installed'
-@end display
+That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
+than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
+and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
+the error message `need to have GiNaC installed'
 
 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.