]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
Tutorial: how to create noncommutative symbols?
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index de1e7e9d6e680135c200155f8a565547029acd9a..93ed619ffc4c87b0e82de5b4fdaed6119d9e930f 100644 (file)
@@ -24,7 +24,7 @@
 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
 
-Copyright (C) 1999-2009 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright (C) 1999-2015 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{} 1999-2009 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright @copyright{} 1999-2015 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{} 1999-2009 Johannes Gutenberg
+language is Copyright @copyright{} 1999-2015 Johannes Gutenberg
 University Mainz, Germany.
 
 This program is free software; you can redistribute it and/or
@@ -3033,6 +3033,8 @@ 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. Both
 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
+For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
+by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
 
 @cindex @code{return_type()}
 @cindex @code{return_type_tinfo()}
@@ -3334,7 +3336,7 @@ Clifford algebras, which will commute with each other.
 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
-@cindex @code{clifford::get_metric()}
+@cindex @code{get_metric()}
 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
 Clifford number.
 
@@ -4263,7 +4265,7 @@ In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
 @{
     symbol x("x"), y("y");
 
-    ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
+    ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
      // -> 73
 
@@ -4637,7 +4639,7 @@ often as is possible without getting negative exponents. For example
 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
 
-@strong{Note:} this only works for multiplications
+@strong{Please notice:} this only works for multiplications
 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
 
 
@@ -5772,11 +5774,11 @@ almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
                                            
-    cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
+    cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
-    cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
+    cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
-    cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
+    cout << ex(lst(a, b, c)).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
 @}
 @end example
@@ -5858,6 +5860,9 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 @item @code{log(x)}
 @tab natural logarithm
 @cindex @code{log()}
+@item @code{eta(x,y)}
+@tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
+@cindex @code{eta()}
 @item @code{Li2(x)}
 @tab dilogarithm
 @cindex @code{Li2()}
@@ -5912,20 +5917,72 @@ GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
 @end cartouche
 
 @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 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.
+For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
+follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
+signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
+the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
+along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
+@code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
+running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
+@code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
+running away towards infinity along the imaginary axis. The
+@code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
+towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
+is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
+counter clockwise direction.
+
+@c
+@subsection Expanding functions
+@cindex expand trancedent functions
+@cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
+@cindex @code{expand_options::expand_function_args}
+GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
+@tex
+$e^{a+b}=e^a e^b$,
+$|zw|=|z|\cdot |w|$
+@end tex
+@ifnottex
+@command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
+@end ifnottex
+or
+@tex
+$\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
+@end tex
+@ifnottex
+@command{log(cd)=log(c)+log(d)}
+@end ifnottex
+(for positive
+@tex
+$c,\ d$
+@end tex
+@ifnottex
+@command{c, d}
+@end ifnottex
+). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
+with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
+relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
+usage and interaction can be seen from the following example:
+@example
+@{
+       symbol x("x"),  y("y");
+       ex e=exp(pow(x+y,2));
+       cout << e.expand() << endl;
+       // -> exp((x+y)^2)
+       cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
+       // -> exp((x+y)^2)
+       cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
+       // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
+       cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
+                       | expand_options::expand_transcendental) << endl;
+       // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
+@}
+@end example
+If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
+the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
+the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
+GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
+argument. Of course, a user can fine-tune this behaviour by sequential
+calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
 
 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
 @c    node-name, next, previous, up
@@ -6149,12 +6206,13 @@ For example,
 @}
 @end example
 
-If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
-by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you 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). Also, specialized methods can be provided
-to take real and imaginary parts of user-defined functions.
+If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
+will have to supply a specialized conjugation method for them (see
+@ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
+example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
+by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
+cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
+parts of user-defined functions.
 
 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
 @c    node-name, next, previous, up
@@ -6449,7 +6507,7 @@ to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
     table["x"] = x+log(y)+1;
     parser reader(table);
     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
-    // e = 5*(x+log(y)+1)^3 + (x+log(y)+1)^2
+    // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
 @}
 @end example
 
@@ -6462,8 +6520,8 @@ with @code{get_syms()} method:
     parser reader;
     ex e = reader("2*x+sin(y)");
     symtab table = reader.get_syms();
-    symbol x = reader["x"];
-    symbol y = reader["y"];
+    symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
+    symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
 @}
 @end example
 
@@ -6486,7 +6544,9 @@ Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
 @}
 @end example
 
-With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
+With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
+When running the following program interactively, remember to send an
+EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
 
 @example
 #include <iostream>
@@ -6569,7 +6629,7 @@ pointer types at the moment:
 @cindex Monte Carlo integration
 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
 the correct type to be used with the CUBA library
-(@uref{http://www.feynarts/cuba}) for numerical integrations. The details for the
+(@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
 
 @cindex compile_ex
@@ -6634,7 +6694,13 @@ ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
-directory.
+directory. You can also export additional compiler flags via the $CXXFLAGS
+variable:
+
+@example
+setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
+compile_ex(...);
+@end example
 
 @subsection Archiving
 @cindex @code{archive} (class)
@@ -7045,6 +7111,25 @@ specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
 case the function has more than one parameter, and its main application
 is for correct handling of the chain rule.
 
+Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
+@code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
+cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
+
+@example
+static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
+@{
+       return Order(arg.diff(s));
+@}
+@end example
+
+That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
+derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
+@code{arg}. This procedure need to be registered with the function
+through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
+Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
+@code{cos()} above, needs to be registered through the option
+@code{derivative_func}. 
+
 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
@@ -7080,14 +7165,15 @@ functions without any special options.
 eval_func(<C++ function>)
 evalf_func(<C++ function>)
 derivative_func(<C++ function>)
+expl_derivative_func(<C++ function>)
 series_func(<C++ function>)
 conjugate_func(<C++ function>)
 @end example
 
 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
-numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
-They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
-@code{diff()} and @code{series()}.
+numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
+expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
+@code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
 
 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
 automatic evaluation is desired or possible.
@@ -8679,7 +8765,7 @@ If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
 
 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
 @c    node-name, next, previous, up
-@subsection Configuring a package that uses GiNaC
+@appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
 
 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
@@ -8732,7 +8818,7 @@ $ ./configure
 
 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
 @c    node-name, next, previous, up
-@subsection Example of a package using GiNaC
+@appendixsection Example of a package using GiNaC
 
 The following shows how to build a simple package using automake
 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}: