]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
- list delimiters are now { }, matrix delimiters are now [ ]
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index 4dc99450d87be363df121f494df03edf52e7719c..e81e5b95f177191ac6dcf3db368ddcd1b7f81f1e 100644 (file)
@@ -350,14 +350,20 @@ a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
 @example
 > lsolve(a+x*y==z,x);
 y^(-1)*(z-a);
-> lsolve([3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5], [x, y]);
-[x==19/8,y==-1/40]
-> M = [[ [[1, 3]], [[-3, 2]] ]];
-[[ [[1,3]], [[-3,2]] ]]
+> lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
+@{x==19/8,y==-1/40@}
+> M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
+[[1,3],[-3,2]]
 > determinant(M);
 11
 > charpoly(M,lambda);
 lambda^2-3*lambda+11
+> A = [ [1, 1], [2, -1] ];
+[[1,1],[2,-1]]
+> A+2*M;
+[[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
+> evalm(");
+[[3,7],[-4,3]]
 @end example
 
 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
@@ -758,7 +764,7 @@ $\sqrt{2}$
 @dots{}
 @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{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{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
@@ -766,6 +772,7 @@ $\sqrt{2}$
 @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)
+@item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
 @end multitable
 @end cartouche
 
@@ -1160,8 +1167,8 @@ Finally you can append or prepend an expression to a list with the
 
 @example
     // ...
-    l.append(4*x);   // l is now [x, 2, y, x+y, 4*x]
-    l.prepend(0);    // l is now [0, x, 2, y, x+y, 4*x]
+    l.append(4*x);   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
+    l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 2, y, x+y, 4*x@}
 @}
 @end example
 
@@ -1785,7 +1792,7 @@ It is output as @samp{eps}:
 @}
 @end example
 
-The matrix representation of the spinor metric is @code{[[ [[ 0, 1 ]], [[ -1, 0 ]] ]]}.
+The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
 
 @cindex @code{epsilon_tensor()}
 @cindex @code{lorentz_eps()}
@@ -1831,11 +1838,11 @@ and scalar products):
 
     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
     cout << e.simplify_indexed() << endl;
-     // -> [[ [[2*y+x]], [[4*y+3*x]] ]].i
+     // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
 
     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
     cout << e.simplify_indexed() << endl;
-     // -> [[ [[3*y+3*x,6*y+2*x]] ]].j
+     // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
 @}
 @end example
 
@@ -1969,6 +1976,10 @@ 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.
 
+As a last note, positive integer powers of non-commutative objects are
+automatically expanded in GiNaC. For example, @code{pow(a*b, 2)} becomes
+@samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are non-commutative expressions).
+
 
 @cindex @code{clifford} (class)
 @subsection Clifford algebra
@@ -2286,10 +2297,12 @@ avoided.
 @menu
 * Information About Expressions::
 * Substituting Expressions::
+* Pattern Matching and Advanced Substitutions::
 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
 * Symbolic Differentiation::
 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
+* Symmetrization::
 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
 @end menu
@@ -2434,7 +2447,6 @@ for an explanation of these.
 @subsection Accessing subexpressions
 @cindex @code{nops()}
 @cindex @code{op()}
-@cindex @code{has()}
 @cindex container
 @cindex @code{relational} (class)
 
@@ -2461,17 +2473,6 @@ ex ex::lhs();
 ex ex::rhs();
 @end example
 
-Finally, the method
-
-@example
-bool ex::has(const ex & other);
-@end example
-
-checks whether an expression contains the given subexpression @code{other}.
-This only works reliably if @code{other} is of an atomic class such as a
-@code{numeric} or a @code{symbol}. It is, e.g., not possible to verify that
-@code{a+b+c} contains @code{a+c} (or @code{a+b}) as a subexpression.
-
 
 @subsection Comparing expressions
 @cindex @code{is_equal()}
@@ -2505,7 +2506,7 @@ GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
 expressions will give very surprising results.
 
 
-@node Substituting Expressions, Polynomial Arithmetic, Information About Expressions, Methods and Functions
+@node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Information About Expressions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Substituting expressions
 @cindex @code{subs()}
@@ -2535,6 +2536,14 @@ In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
 @}
 @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 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}.
+
 @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:
@@ -2547,9 +2556,9 @@ following example:
     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
      // -> 16
 
-    ex e2 = sin(x)*cos(x);
+    ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
-     // -> cos(x)^2
+     // -> cos(x)^2*sin(y)
 
     ex e3 = x+y+z;
     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
@@ -2558,16 +2567,255 @@ following example:
 @}
 @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}.
+A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
+next section.
 
-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 Pattern Matching and Advanced Substitutions, Polynomial Arithmetic, Substituting Expressions, Methods and Functions
+@c    node-name, next, previous, up
+@section Pattern matching and advanced substitutions
+
+GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
+certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
+substituting expressions in a more general way.
+
+A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
+A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
+represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
+an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
+pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
+are specified in @command{ginsh}. In C++ code, wildcard objects are created
+with the call
+
+@example
+ex wild(unsigned label = 0);
+@end example
+
+which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
+name.
+
+Some examples for patterns:
+
+@multitable @columnfractions .5 .5
+@item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
+@item @code{wild()} @tab @samp{$0}
+@item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
+@item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
+@item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
+@end multitable
+
+Notes:
+
+@itemize
+@item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
+  rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
+@item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
+  use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
+  always be of class @code{idx} (or a subclass).
+@item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
+  possible to use them as placeholders for other properties like index
+  dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
+  etc.
+@item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
+  as part of noncommutative products.
+@item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
+  are also valid patterns.
+@end itemize
+
+@cindex @code{match()}
+The most basic application of patterns is to check whether an expression
+matches a given pattern. This is done by the function
+
+@example
+bool ex::match(const ex & pattern);
+bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
+@end example
+
+This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
+and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
+subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
+object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
+If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
+For reproducible results, the list should be empty when passed to
+@code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
+expressions by passing in the result of a previous match.
+
+The matching algorithm works as follows:
+
+@itemize
+@item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
+  multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
+  places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
+  @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
+@item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
+  fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
+  etc.).
+@item If the pattern is a function, it only matches the same function
+  (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
+@item Except for sums and products, the match fails if the number of
+  subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
+  of the pattern.
+@item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
+  be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
+@item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
+  match the corresponding subexpression of the pattern.
+@end itemize
+
+Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
+account for their commutativity and associativity:
 
-@node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
+@itemize
+@item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
+  this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
+  such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
+  way.
+@item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
+  matched against every term of the expression in sequence. If no match is
+  found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
+  further matches.
+@item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
+  the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
+  which case this wildcard matches the remaining terms.
+@end itemize
+
+In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
+factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
+amgiguous results.
+
+Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
+@code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
+match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
+
+@example
+> match((x+y)^a,(x+y)^a);
+@{@}
+> match((x+y)^a,(x+y)^b);
+FAIL
+> match((x+y)^a,$1^$2);
+@{$1==x+y,$2==a@}
+> match((x+y)^a,$1^$1);
+FAIL
+> match((x+y)^(x+y),$1^$1);
+@{$1==x+y@}
+> match((x+y)^(x+y),$1^$2);
+@{$1==x+y,$2==x+y@}
+> match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
+@{$1==a@}
+> match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
+@{$1==c,$2==b@}
+  (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
+> match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
+  (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
+   and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
+   may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
+   succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
+   fail.)
+> match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
+  (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
+   @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
+> match(a+b+c+d+e+f,c);
+FAIL
+> match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
+@{$0==a+e+b+f+d@}
+> match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
+@{$0==a+b+f+d@}
+> match(a+b,a+b+$0);
+@{$0==0@}
+> match(a*b^2,a^$1*b^$2);
+FAIL
+  (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
+   even if a==a^1.)
+> match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
+@{$0==x@}
+> match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
+@{$0==x^2@}
+@end example
+
+@cindex @code{has()}
+A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
+member function
+
+@example
+bool ex::has(const ex & pattern);
+@end example
+
+This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
+by any of its subexpressions.
+
+Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
+@code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
+
+@example
+> has(x*sin(x+y+2*a),y);
+1
+> has(x*sin(x+y+2*a+y),x+y);
+0
+  (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
+   has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
+> has(x*sin(x+y+2*a+y),x+y+$1);
+1
+  (But this is possible.)
+> has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
+0
+  (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
+   which "x+y" is not a subexpression.)
+> has(x+1,x^$1);
+0
+  (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
+   "x^something".)
+> has(4*x^2-x+3,$1*x);
+1
+> has(4*x^2+x+3,$1*x);
+0
+  (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
+   "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
+   contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
+@end example
+
+@cindex @code{subs()}
+Probably the most useful application of patterns is to use them for
+substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
+used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
+they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
+know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
+
+Some examples:
+
+@example
+> subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
+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);
+(a+b+c)^2
+> subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
+(x+c)^2
+> 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
+> subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
+-1+5*x-2*a^2+4*a^3
+> subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
+cos(1+cos(x))
+> expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
+a+b
+@end example
+
+The last example would be written in C++ in this way:
+
+@example
+@{
+    symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
+    e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
+    e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
+    cout << e.expand() << endl;
+     // -> a+b
+@}
+@end example
+
+
+@node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Polynomial arithmetic
 
@@ -2890,16 +3138,20 @@ normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
 @cindex denominator
 @cindex @code{numer()}
 @cindex @code{denom()}
+@cindex @code{numer_denom()}
 
 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
 
 @example
 ex ex::numer();
 ex ex::denom();
+ex ex::numer_denom();
 @end example
 
 These functions will first normalize the expression as described above and
-then return the numerator or denominator, respectively.
+then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
+If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
+faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
 
 
 @subsection Converting to a rational expression
@@ -3005,7 +3257,7 @@ When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
 
 
-@node Series Expansion, Built-in Functions, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
+@node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Series expansion
 @cindex @code{series()}
@@ -3115,7 +3367,51 @@ program, it will type out:
 @end example
 
 
-@node Built-in Functions, Input/Output, Series Expansion, Methods and Functions
+@node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
+@c    node-name, next, previous, up
+@section Symmetrization
+@cindex @code{symmetrize()}
+@cindex @code{antisymmetrize()}
+
+The two methods
+
+@example
+ex ex::symmetrize(const lst & l);
+ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
+@end example
+
+symmetrize an expression by returning the symmetric or antisymmetric sum
+over all permutations of the specified list of objects, weighted by the
+number of permutations.
+
+The two additional methods
+
+@example
+ex ex::symmetrize();
+ex ex::antisymmetrize();
+@end example
+
+symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
+
+Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
+almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
+
+@example
+@{
+    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;
+     // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
+    cout << 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(lst(a, b, c)) << endl;
+     // -> 1/6*@{a,b,c@}+1/6*@{c,a,b@}+1/6*@{b,a,c@}+1/6*@{c,b,a@}+1/6*@{b,c,a@}+1/6*@{a,c,b@}
+@}
+@end example
+
+
+@node Built-in Functions, Input/Output, Symmetrization, Methods and Functions
 @c    node-name, next, previous, up
 @section Predefined mathematical functions
 
@@ -4216,8 +4512,14 @@ work in the GiNaC framework. For a real algebraic class, there are probably
 some more functions that you will want to re-implement, such as
 @code{evalf()}, @code{series()} or @code{op()}. Have a look at @file{basic.h}
 or the header file of the class you want to make a subclass of to see
-what's there. You can, of course, also add your own new member functions.
-In this case you will probably want to define a little helper function like
+what's there. One member function that you will most likely want to
+implement for terminal classes like the described string class is
+@code{calcchash()} that returns an @code{unsigned} hash value for the object
+which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much more
+efficiently.
+
+You can, of course, also add your own new member functions. In this case you
+will probably want to define a little helper function like
 
 @example
 inline const mystring &ex_to_mystring(const ex &e)
@@ -4226,9 +4528,9 @@ inline const mystring &ex_to_mystring(const ex &e)
 @}
 @end example
 
-that let's you get at the object inside an expression (after you have verified
-that the type is correct) so you can call member functions that are specific
-to the class.
+that let's you get at the object inside an expression (after you have
+verified that the type is correct) so you can call member functions that are
+specific to the class.
 
 That's it. May the source be with you!