]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - doc/tutorial/ginac.texi
Improve (fix?) smod: now it really converts into symmetric representation...
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index 11c67f91c4e66aa1fdeb6f86f88ff8928244d655..fe7a2648661966aa7d0ab0768148457039c95609 100644 (file)
@@ -553,7 +553,7 @@ environment variable, like optimization, debugging information and
 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
-releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
+releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
 must generate @command{configure} along with the various
 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
@@ -1479,7 +1479,7 @@ evaluated immediately:
 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
 @cindex @code{mod()}
 @item @code{smod(a, b)}
-@tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
+@tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
 @cindex @code{smod()}
 @item @code{irem(a, b)}
 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
@@ -4413,14 +4413,14 @@ 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);
+bool ex::match(const ex & pattern, exmap& 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,  @code{repls} remains unmodified.
+subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
+array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
+returns false,  @code{repls} remains unmodified.
 
 The matching algorithm works as follows:
 
@@ -4559,7 +4559,7 @@ Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
 The method
 
 @example
-bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
+bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
 @end example
 
 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
@@ -5354,13 +5354,7 @@ int main()
 @cindex factorization
 @cindex @code{sqrfree()}
 
-GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
-factorization is, however, easily implemented by noting that factors
-appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
-derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
-original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
-interface for this so called square-free factorization.  So we provide
-one, too:
+Square-free decomposition is available in GiNaC:
 @example
 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
 @end example
@@ -5385,6 +5379,57 @@ some care with subsequent processing of the result:
 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
 with this method.
 
+@subsection Polynomial factorization
+@cindex factorization
+@cindex polynomial factorization
+@cindex @code{factor()}
+
+Polynomials can also be fully factored with a call to the function
+@example
+ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
+@end example
+The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
+rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
+@example
+    ...
+    cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
+     // -> (1+x)*(-1+x)
+    cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
+     // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
+    cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
+     // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
+    ...
+@end example
+The results are as expected except for the last one where no factorization
+seems to have been done. This is due to the default option
+@command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
+tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
+In the shown example this is not the case, because one term is a function.
+
+There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
+ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
+arguments. With this option the example gives:
+@example
+    ...
+    cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
+         << endl;
+     // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
+    ...
+@end example
+GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
+the following example does not factor:
+@example
+    ...
+    cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
+     // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
+    ...
+@end example
+Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
+algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
+can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
+complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
+time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
+cheaper and more appropriate alternative.
 
 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
 @c    node-name, next, previous, up
@@ -6380,22 +6425,72 @@ and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
 
-Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
-list of symbols to be used:
+Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
+specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
 
 @example
 @{
-    symbol x("x"), y("y");
-    ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
+    symbol x, y;
+    symtab table;
+    table["x"] = x;
+    table["y"] = y;
+    parser reader(table);
+    ex e = reader("2*x+sin(y)");
 @}
 @end example
 
 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
-output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
-the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
-the list it will throw an exception.
+output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
+is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
+to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
+the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
+to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
+
+@example
+@{
+    symbol x, y;
+    symtab table;
+    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
+@}
+@end example
+
+If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
+with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
+with @code{get_syms()} method:
+
+@example
+@{
+    parser reader;
+    ex e = reader("2*x+sin(y)");
+    symtab table = reader.get_syms();
+    symbol x = reader["x"];
+    symbol y = reader["y"];
+@}
+@end example
+
+Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
+(for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
+
+@example
+@{
+       symtab table;
+       table["x"] = symbol();
+       parser reader(table);
+       parser.strict = true;
+       ex e;
+       try @{
+               e = reader("2*x+sin(y)");
+       @} catch (parse_error& err) @{
+               cerr << err.what() << endl;
+               // prints "unknown symbol "y" in the input"
+       @}
+@}
+@end example
 
-With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
+With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
 
 @example
 #include <iostream>
@@ -6407,19 +6502,19 @@ using namespace GiNaC;
 
 int main()
 @{
-    symbol x("x");
-    string s;
-
-    cout << "Enter an expression containing 'x': ";
-    getline(cin, s);
-
-    try @{
-        ex e(s, lst(x));
-        cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
-        cout << e.diff(x) << ".\n";
-    @} catch (exception &p) @{
-        cerr << p.what() << endl;
-    @}
+       cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
+       parser reader;
+
+       try @{
+               ex e = reader(cin);
+               symtab table = reader.get_syms();
+               symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
+                          ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
+               cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
+               cout << e.diff(x) << "." << endl;
+       @} catch (exception &p) @{
+               cerr << p.what() << endl;
+       @}
 @}
 @end example
 
@@ -7780,44 +7875,40 @@ representing tensor products is more involved but this section should give
 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
 classes if you want to implement something more complicated.
 
-@subsection GiNaC's run-time type information system
+@subsection Hierarchy of algebraic classes.
 
 @cindex hierarchy of classes
-@cindex RTTI
 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
-@code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
-generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
-out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
-Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
-@code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
-system that provides this kind of information is called a run-time type
-information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
-standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
-implements its own, simpler RTTI.
-
-The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
-
+@code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
+with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
+GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
+To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
+methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
+(un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
+worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
+in @file{registrar.h}):
 @itemize @bullet
+@item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
+@item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
+@item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
+@end itemize
 
-@item
-The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
-holds a variable of @code{tinfo_t} type (which is actually just
-@code{const void*}) that identifies the object's class.
-
-@item
-By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
-of information for all classes derived from @code{basic}. The information
-available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
-to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
-@file{registrar.h} header file.
+The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
+required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
+It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
+The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
+the opening brace of the class definition.
 
-@end itemize
+@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
+@code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
+members of a class so that printing and (un)archiving works. The
+@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
+the source (at global scope, of course, not inside a function).
 
-The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
-a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
-or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
-macros.
+@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
+@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
+options, such as custom printing functions.
 
 @subsection A minimalistic example
 
@@ -7843,7 +7934,7 @@ using namespace GiNaC;
 
 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
-object from a C or C++ string:
+object from a string:
 
 @example
 class mystring : public basic
@@ -7852,7 +7943,6 @@ class mystring : public basic
   
 public:
     mystring(const string & s);
-    mystring(const char * s);
 
 private:
     string str;
@@ -7861,24 +7951,12 @@ private:
 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
 @end example
 
-The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
-macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
-and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
-for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
-the first line after the opening brace of the class definition. The
-@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
-source (at global scope, of course, not inside a function).
-
-@code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
-declarations of the default constructor and a couple of other functions that
-are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
-superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
-the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
-class with the GiNaC RTTI (there is also a
-@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
-options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
-
-Now there are seven member functions we have to implement to get a working
+The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
+for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
+@code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
+of a class so that printing and (un)archiving works.
+
+Now there are three member functions we have to implement to get a working
 class:
 
 @itemize
@@ -7886,21 +7964,6 @@ class:
 @item
 @code{mystring()}, the default constructor.
 
-@item
-@code{void archive(archive_node & n)}, the archiving function. This stores all
-information needed to reconstruct an object of this class inside an
-@code{archive_node}.
-
-@item
-@code{mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the unarchiving
-constructor. This constructs an instance of the class from the information
-found in an @code{archive_node}.
-
-@item
-@code{ex unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the static
-unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
-constructor.
-
 @item
 @cindex @code{compare_same_type()}
 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
@@ -7916,85 +7979,21 @@ objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
 defined.
 
 @item
-And, of course, @code{mystring(const string & s)} and @code{mystring(const char * s)}
-which are the two constructors we declared.
+And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
+we declared.
 
 @end itemize
 
 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
 
 @example
-mystring::mystring() : inherited(&mystring::tinfo_static) @{@}
+mystring::mystring() @{ @}
 @end example
 
-The golden rule is that in all constructors you have to set the
-@code{tinfo_key} member to the @code{&your_class_name::tinfo_static}
-@footnote{Each GiNaC class has a static member called tinfo_static.
-This member is declared by the GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS macros
-and defined by the GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS macros.}. Otherwise
-it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
-loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
-a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
-(remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
-didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
-to the right value manually.
-
 In the default constructor you should set all other member variables to
 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
 member gets set to an empty string automatically).
 
-Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
-if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
-is really simple.  First, the archiving function:
-
-@example
-void mystring::archive(archive_node & n) const
-@{
-    inherited::archive(n);
-    n.add_string("string", str);
-@}
-@end example
-
-The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
-function of the superclass. Optionally, you can store all information you
-deem necessary for representing the object into the passed
-@code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
-information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
-file.
-
-The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
-function:
-
-@example
-mystring::mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
-@{
-    n.find_string("string", str);
-@}
-@end example
-
-If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
-invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
-have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
-by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
-
-Finally, the unarchiving function:
-
-@example
-ex mystring::unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)
-@{
-    return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
-@}
-@end example
-
-You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
-four lines into your code literally (replacing the class name, of
-course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
-you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
-to global objects) you don't need a different implementation. For those
-who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
-under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
-automatically once it is no longer referenced.
-
 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
 the string members:
 
@@ -8018,17 +8017,13 @@ comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
 all relevant member variables.
 
-Now the only thing missing is our two new constructors:
+Now the only thing missing is our constructor:
 
 @example
-mystring::mystring(const string & s)
-    : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
-mystring::mystring(const char * s)
-    : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
+mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
 @end example
 
-No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
-remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
+No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
 
 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
@@ -8263,27 +8258,20 @@ That's it. May the source be with you!
 
 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
 
-If you got some extension classes for GiNaC 1.3.X some changes are
-necessary in order to make your code work with GiNaC 1.4.
-
-@itemize @bullet
-@item constructors which set @code{tinfo_key} such as
+GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
+removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
+@code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
 
 @example
-myclass::myclass() : inherited(TINFO_myclass) @{@}
+myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
 @end example
 
-need to be rewritten as
+needs to be rewritten as
 
 @example
-myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
+myclass::myclass() @{@}
 @end example
 
-@item TINO_myclass is not necessary any more and can be removed.
-
-@end itemize
-
-
 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
 @c    node-name, next, previous, up
 @chapter A Comparison With Other CAS
@@ -8392,7 +8380,7 @@ Of course it also has some disadvantages:
 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
-respect to mathematical features.  Integration, factorization,
+respect to mathematical features.  Integration, 
 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
 not planned for the near future).