]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
* Fix typo. (Hi Keith!)
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index 4a28d0b29b501d0cd1692e74257eea802d55379c..8072536203026514f1894d7f8c383961edcb537f 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) 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright (C) 1999-2004 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{} 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright @copyright{} 1999-2004 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{} 1999-2003 Johannes Gutenberg
+language is Copyright @copyright{} 1999-2004 Johannes Gutenberg
 University Mainz, Germany.
 
 This program is free software; you can redistribute it and/or
@@ -781,7 +781,7 @@ behave in an entirely obvious way at first glance:
 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
-any other way easily guessable (it almost always depends on the number and
+any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
 canonical form.
@@ -839,7 +839,7 @@ int pole_error::degree() const;
 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
 logarithmic or the order is undefined).
 
-When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
+When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
 the main program even if you don't want to do any special error handling.
 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
@@ -977,6 +977,17 @@ function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
 
+@cindex @code{realsymbol()}
+Symbols are expected to stand in for complex values by default, i.e. they live
+in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
+for example (see @ref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
+to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
+because of the unknown imaginary part of @code{x}.
+On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
+would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
+the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
+@code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
+
 @cindex @code{subs()}
 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
@@ -3263,7 +3274,7 @@ after @code{other}.
 
 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
-@section Numercial Evaluation
+@section Numerical Evaluation
 @cindex @code{evalf()}
 
 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
@@ -4112,7 +4123,7 @@ ex ex::expand(unsigned options = 0);
 
 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
-GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
+GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
 orderings of terms in such sums!
 
 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
@@ -4182,8 +4193,9 @@ 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
+on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
+degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
+an expanded polynomial you use
 
 @example
 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
@@ -4480,7 +4492,7 @@ method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
 
-The difference betwerrn @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
+The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
 is probably best illustrated with an example:
 
 @example
@@ -4743,10 +4755,11 @@ almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
 @}
 @end example
 
-
-@node Built-in Functions, Solving Linear Systems of Equations, Symmetrization, Methods and Functions
+@node Built-in Functions, Complex Conjugation, Symmetrization, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Predefined mathematical functions
+@c
+@subsection Overview
 
 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 
@@ -4758,6 +4771,9 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 @cindex @code{abs()}
 @item @code{csgn(x)}
 @tab complex sign
+@cindex @code{conjugate()}
+@item @code{conjugate(x)}
+@tab complex conjugation
 @cindex @code{csgn()}
 @item @code{sqrt(x)}
 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
@@ -4807,31 +4823,34 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 @tab natural logarithm
 @cindex @code{log()}
 @item @code{Li2(x)}
-@tab Dilogarithm
+@tab dilogarithm
 @cindex @code{Li2()}
-@item @code{Li(n, x)}
+@item @code{Li(m, x)}
 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
 @cindex @code{Li()}
 @item @code{S(n, p, x)}
 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
 @cindex @code{S()}
-@item @code{H(n, x)}
+@item @code{H(m, x)}
 @tab harmonic polylogarithm
 @cindex @code{H()}
-@item @code{zeta(x)}
+@item @code{zeta(m)}
 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
 @cindex @code{zeta()}
-@item @code{zeta(n, x)}
+@item @code{zeta(m, s)}
+@tab alternating Euler sum
+@cindex @code{zeta()}
+@item @code{zetaderiv(n, x)}
 @tab derivatives of Riemann's zeta function
 @item @code{tgamma(x)}
-@tab Gamma function
+@tab gamma function
 @cindex @code{tgamma()}
-@cindex Gamma function
+@cindex gamma function
 @item @code{lgamma(x)}
-@tab logarithm of Gamma function
+@tab logarithm of gamma function
 @cindex @code{lgamma()}
 @item @code{beta(x, y)}
-@tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
+@tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
 @cindex @code{beta()}
 @item @code{psi(x)}
 @tab psi (digamma) function
@@ -4866,27 +4885,187 @@ 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.
 
-@cindex nested sums
-The functions @code{Li}, @code{S}, @code{H} and @code{zeta} share certain
-properties and are refered to as nested sums functions, because they all
-have a uniform representation as nested sums (for mathematical details and
-conventions see @emph{S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl hep-ph/0110083}).
-@code{Li} and @code{zeta} can take @code{lst}s as arguments, in which case
-they represent not classical polylogarithms or simple zeta functions but
-multiple polylogarithms or multiple zeta values respectively (note that the two
-@code{lst}s for @code{Li} must have the same length). The first parameter
-of the harmonic polylogarithm can also be a @code{lst}.
-For all these functions the arguments in the @code{lst}s are expected to be
-in the same order as they appear in the nested sums representation
-(note that this convention differs from the one in the aforementioned paper 
-in the cases of @code{Li} and @code{zeta}).
-If you want to numerically evaluate the functions, the parameters @code{n}
-and @code{p} as well as @code{x} in the case of @code{zeta} must all be
-positive integers (or @code{lst}s containing them). The multiple polylogarithm
-has the additional restriction that the second parameter must only
-contain arguments with an absolute value smaller than one.
-
-@node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Built-in Functions, Methods and Functions
+@subsection Multiple polylogarithms
+
+@cindex polylogarithm
+@cindex Nielsen's generalized polylogarithm
+@cindex harmonic polylogarithm
+@cindex multiple zeta value
+@cindex alternating Euler sum
+@cindex multiple polylogarithm
+
+The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
+to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
+polylogarithm and the multiple zeta value belong.
+Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
+parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
+multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
+
+To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
+arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
+@code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
+
+To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
+pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
+for the argument @code{x} as well.
+Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
+the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
+the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
+GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
+It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
+
+The functions print in LaTeX format as
+@tex
+${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
+@end tex
+@tex
+${\rm S}_{n,p}(x)$, 
+@end tex
+@tex
+${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
+@end tex
+@tex
+$\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
+@end tex
+If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
+are printed with a line above, e.g.
+@tex
+$\zeta(5,\overline{2})$.
+@end tex
+The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
+
+Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
+are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
+end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
+except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
+
+One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
+that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
+the series representation. This means
+@tex
+${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
+@end tex
+@tex
+${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
+@end tex
+@tex
+$\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
+@end tex
+So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
+is reversed.
+
+The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
+@code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
+of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
+@code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
+@tex
+$\zeta(\overline{3},4)$.
+@end tex
+The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
+be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
+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
+indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
+the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
+Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
+evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
+
+@example
+> Li(@{3,1@},@{x,1@});
+S(2,2,x)
+> H(@{-3,2@},1);
+-zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
+> S(3,1,1);
+1/90*Pi^4
+@end example
+
+It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
+it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
+with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
+quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
+@code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
+@code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
+
+@example
+> convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
+Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
+> convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
+-Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
+@end example
+
+Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
+arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
+@tex
+$x_i$ the condition
+@end tex
+@tex
+$x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
+@end tex
+
+@example
+> Digits=100;
+100
+> evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
+0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
+@end example
+
+Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
+different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
+
+If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
+unevaluated, e.g.
+@tex
+$\zeta(1)$.
+@end tex
+In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
+the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
+cancellations of divergencies happen.
+
+Useful publications:
+
+@cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
+S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
+
+@cite{Harmonic Polylogarithms}, 
+E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
+
+@cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
+J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
+
+@node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Built-in Functions, Methods and Functions
+@c    node-name, next, previous, up
+@section Complex Conjugation
+@c
+@cindex @code{conjugate()}
+
+The method
+
+@example
+ex ex::conjugate();
+@end example
+
+returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
+conjugation gives the expected results:
+
+@example
+@{
+    varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
+    symbol x("x");
+    realsymbol y("y");
+                                           
+    cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
+     // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
+    cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
+     // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
+@}
+@end example
+
+For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
+@code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
+arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
+change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
+(see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
+
+@node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Solving Linear Systems of Equations
 @cindex @code{lsolve()}
@@ -5636,6 +5815,7 @@ eval_func(<C++ function>)
 evalf_func(<C++ function>)
 derivative_func(<C++ function>)
 series_func(<C++ function>)
+conjugate_func(<C++ function>)
 @end example
 
 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,