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[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
index 0d86eeee4d673b48d20c210989cb3a498165b802..ffdfbef52ed1c17a2aac9a744e35ab9798f533c2 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) 1999-2015 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright (C) 1999-2019 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{} 1999-2015 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+Copyright @copyright{} 1999-2019 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{} 1999-2015 Johannes Gutenberg
+language is Copyright @copyright{} 1999-2019 Johannes Gutenberg
 University Mainz, Germany.
 
 This program is free software; you can redistribute it and/or
@@ -484,10 +484,10 @@ required for the configuration, it can be downloaded from
 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
 Last but not least, the CLN library
 is used extensively and needs to be installed on your system.
-Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
-(it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
-GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
-it will refuse to continue.
+Please get it from @uref{http://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
+the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
+script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
+continue.
 
 
 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
@@ -838,8 +838,8 @@ some immediate simplifications.
 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
 
 @example
-ex ex::eval(int level = 0) const;
-ex basic::eval(int level = 0) const;
+ex ex::eval() const;
+ex basic::eval() const;
 @end example
 
 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
@@ -1146,7 +1146,14 @@ This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
-greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
+greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
+and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
+@cindex @code{get_name()}
+@cindex @code{get_TeX_name()}
+@example
+symbol::get_name() const;
+symbol::get_TeX_name() const;
+@end example
 
 @cindex @code{subs()}
 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
@@ -2165,22 +2172,20 @@ computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
 ex matrix::trace() const;
 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
-unsigned matrix::rank() const;
+unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
 @end example
 
-The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
-between different algorithms for calculating the determinant.  The
-asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
-between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
-entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
-file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
-algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
-quickly.
+The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
+functions allows to select between different algorithms for calculating the
+determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
+by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
+on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
+the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
+automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
+to give the result most quickly.
 
-@cindex @code{inverse()} (matrix)
 @cindex @code{solve()}
-Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
-method and linear systems may be solved with:
+Linear systems can be solved with:
 
 @example
 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
@@ -2195,6 +2200,15 @@ times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
 overdetermined, an exception is thrown.
 
+@cindex @code{inverse()} (matrix)
+To invert a matrix, use the method:
+
+@example
+matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
+@end example
+
+The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
+@code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
 
 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
 @c    node-name, next, previous, up
@@ -3330,6 +3344,15 @@ 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{get_metric()}
+Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
+not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
+paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
+specifies as follows:
+
+@example
+    clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
+@end example
+
 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
 Clifford number.
 
@@ -3477,14 +3500,13 @@ There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
 
 @example
     ex clifford_prime(const ex & e)
-    inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
-    inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
+    inline ex clifford_star(const ex & e)
+    inline ex clifford_bar(const ex & e)
 @end example
 
 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
-of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
-@code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
+of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
 units in any product. Finally the main anti-automorphism
 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
@@ -3969,8 +3991,6 @@ table:
 @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 (@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
 
@@ -4150,12 +4170,12 @@ provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
 predicates to the STL:
 
 @example
-class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
+class ex_is_less @{
 public:
     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
 @};
 
-class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
+class ex_is_equal @{
 public:
     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
 @};
@@ -4183,7 +4203,7 @@ std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
 
 // count the number of expressions equal to '1'
 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
-                                  std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
+                                  [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
 @end example
 
 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
@@ -4206,7 +4226,7 @@ GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
 
 @example
-ex ex::evalf(int level = 0) const;
+ex ex::evalf() const;
 @end example
 
 @cindex @code{Digits}
@@ -5111,18 +5131,17 @@ a*(2*x*y+y^2+x^2)
 @cindex @code{ldegree()}
 @cindex @code{coeff()}
 
-The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
-methods
+The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
+using the two methods
 
 @example
 int ex::degree(const ex & s);
 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). By definition, the
-degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
-an expanded polynomial you use
+These functions even work 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);
@@ -5480,8 +5499,11 @@ ex ex::numer_denom();
 
 These functions will first normalize the expression as described above and
 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.
+If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
+is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
+more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
+may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
+return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
 
 
 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
@@ -5495,20 +5517,18 @@ above. You do this by calling
 
 @example
 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
-ex ex::to_polynomial(lst & l);
 @end example
 or
 @example
 ex ex::to_rational(exmap & m);
-ex ex::to_rational(lst & l);
 @end example
 
-on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
-will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
-expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
-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.
+on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
+with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
+format that can be used directly for the @code{subs()} 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 between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
 is probably best illustrated with an example:
@@ -5519,15 +5539,15 @@ is probably best illustrated with an example:
     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
     cout << a << endl;
 
-    lst lp;
-    ex p = a.to_polynomial(lp);
-    cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
+    exmap mp;
+    ex p = a.to_polynomial(mp);
+    cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
 
-    lst lr;
-    ex r = a.to_rational(lr);
-    cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
+    exmap mr;
+    ex r = a.to_rational(mr);
+    cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
      //   with @{symbol4==sin(x)@}
 @}
@@ -5974,7 +5994,7 @@ 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
+argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
 
 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
@@ -6686,9 +6706,9 @@ ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
 @cindex ginac-excompiler
 @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. You can also export additional compiler flags via the $CXXFLAGS
-variable:
+will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
+(typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
+export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
 
 @example
 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
@@ -8241,11 +8261,11 @@ class mystring : public basic
 @{
     ...
 public:
-    ex eval(int level = 0) const;
+    ex eval() const override;
     ...
 @};
 
-ex mystring::eval(int level) const
+ex mystring::eval() const
 @{
     string new_str;
     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
@@ -8258,19 +8278,19 @@ ex mystring::eval(int level) const
 
     if (new_str.length() == 0)
         return 0;
-    else
-        return mystring(new_str).hold();
+
+    return mystring(new_str).hold();
 @}
 @end example
 
-The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
-evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
-class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
-@code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
-the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
-sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
-we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
-unmodified, use @code{return this->hold();}.
+The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
+further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
+want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
+
+If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
+they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
+have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
+with this.
 
 Let's confirm that it works:
 
@@ -8293,8 +8313,8 @@ required but will make operations with objects of the class more efficient:
 @cindex @code{calchash()}
 @cindex @code{is_equal_same_type()}
 @example
-unsigned calchash() const;
-bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
+unsigned calchash() const override;
+bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
 @end example
 
 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
@@ -8315,10 +8335,10 @@ For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
 might want to provide:
 
 @example
-bool info(unsigned inf) const;
-ex evalf(int level = 0) const;
-ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
-ex derivative(const symbol & s) const;
+bool info(unsigned inf) const override;
+ex evalf() const override;
+ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
+ex derivative(const symbol & s) const override;
 @end example
 
 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
@@ -8326,11 +8346,11 @@ previous section) you will probably want to override
 
 @cindex @code{let_op()}
 @example
-size_t nops() cont;
-ex op(size_t i) const;
-ex & let_op(size_t i);
-ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
-ex map(map_function & f) const;
+size_t nops() const override;
+ex op(size_t i) const override;
+ex & let_op(size_t i) override;
+ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
+ex map(map_function & f) const override;
 @end example
 
 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The