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Various improvements for clifford class (subs for metric, commutator_sign,
[ginac.git] / ginac / clifford.h
index f551abb71febcd2936d444bc74f51612edf38f46..18ef03c2209fd073778c90b9e9d1644a392e7820 100644 (file)
@@ -3,7 +3,7 @@
  *  Interface to GiNaC's clifford algebra (Dirac gamma) objects. */
 
 /*
- *  GiNaC Copyright (C) 1999-2003 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+ *  GiNaC Copyright (C) 1999-2005 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
  *
  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
@@ -17,7 +17,7 @@
  *
  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  *  along with this program; if not, write to the Free Software
- *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
+ *  Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  */
 
 #ifndef __GINAC_CLIFFORD_H__
 
 #include "indexed.h"
 #include "tensor.h"
+#include "symbol.h"
+#include "idx.h"
+
+#include <set>
 
 namespace GiNaC {
 
@@ -33,21 +37,23 @@ namespace GiNaC {
  *  algebra (the Dirac gamma matrices). These objects only carry Lorentz
  *  indices. Spinor indices are hidden. A representation label (an unsigned
  *  8-bit integer) is used to distinguish elements from different Clifford
- *  algebras (objects with different labels commute). */
+ *  algebras (objects with different labels commutate). */
 class clifford : public indexed
 {
        GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(clifford, indexed)
 
        // other constructors
 public:
-       clifford(const ex & b, unsigned char rl = 0);
-       clifford(const ex & b, const ex & mu, unsigned char rl = 0);
+       clifford(const ex & b, unsigned char rl = 0, bool anticommut = false);
+       clifford(const ex & b, const ex & mu,  const ex & metr, unsigned char rl = 0, bool anticommut = false, int comm_sign = -1);
 
        // internal constructors
-       clifford(unsigned char rl, const exvector & v, bool discardable = false);
-       clifford(unsigned char rl, std::auto_ptr<exvector> vp);
+       clifford(unsigned char rl, const ex & metr, bool anticommut, int comm_sign, const exvector & v, bool discardable = false);
+       clifford(unsigned char rl, const ex & metr, bool anticommut, int comm_sign, std::auto_ptr<exvector> vp);
 
        // functions overriding virtual functions from base classes
+public:
+       unsigned precedence() const { return 65; }
 protected:
        ex eval_ncmul(const exvector & v) const;
        bool match_same_type(const basic & other) const;
@@ -58,18 +64,35 @@ protected:
 
        // non-virtual functions in this class
 public:
-       unsigned char get_representation_label() const {return representation_label;}
+       unsigned char get_representation_label() const { return representation_label; }
+       ex get_metric() const { return metric; }
+       virtual ex get_metric(const ex & i, const ex & j, bool symmetrised = false) const;
+       bool same_metric(const ex & other) const;
+       bool is_anticommuting() const { return anticommuting; } //**< See the member variable anticommuting */
+       int get_commutator_sign() const { return commutator_sign; } //**< See the member variable commutator_sign */
+
+       inline size_t nops() const {return inherited::nops() + 1; }
+       ex op(size_t i) const;
+       ex & let_op(size_t i);
+       ex subs(const exmap & m, unsigned options = 0) const { clifford c = ex_to<clifford>(inherited::subs(m, options)); c.metric_subs(m, options); return c;}
+       ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const { clifford c = ex_to<clifford>(ex(*this).subs(ls, lr, options)); c.metric_subs(ls, lr, options); return c;}
+       ex subs(const ex & e, unsigned options = 0) const{ clifford c = ex_to<clifford>(ex(*this).subs(e, options)); c.metric_subs(e, options); return c;};
 
 protected:
        void do_print_dflt(const print_dflt & c, unsigned level) const;
        void do_print_latex(const print_latex & c, unsigned level) const;
+       void metric_subs(const exmap & m, unsigned options = 0) { metric = metric.subs(m, options); }
+       void metric_subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) { metric = metric.subs(ls, lr, options); }
+       void metric_subs(const ex & e, unsigned options = 0) { metric = metric.subs(e, options); }
 
        // member variables
-private:
+protected:
        unsigned char representation_label; /**< Representation label to distinguish independent spin lines */
+       ex metric; /**< Metric of the space, all constructors make it an indexed object */
+       bool anticommuting; /**< Simplifications for anticommuting units is much simpler and we need this info readily available */
+       int commutator_sign; /**< It is the sign in the definition e~i e~j +/- e~j e~i = B(i, j) + B(j, i)*/
 };
 
-
 /** This class represents the Clifford algebra unity element. */
 class diracone : public tensor
 {
@@ -82,10 +105,30 @@ protected:
 };
 
 
+/** This class represents the Clifford algebra generators (units). */
+class cliffordunit : public tensor
+{
+       GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(cliffordunit, tensor)
+
+       // other constructors
+protected:
+       cliffordunit(unsigned ti) : inherited(ti) {}
+                                                                                                    
+       // functions overriding virtual functions from base classes
+public:
+       bool contract_with(exvector::iterator self, exvector::iterator other, exvector & v) const;
+
+       // non-virtual functions in this class
+protected:
+       void do_print(const print_context & c, unsigned level) const;
+       void do_print_latex(const print_latex & c, unsigned level) const;
+};
+
+
 /** This class represents the Dirac gamma Lorentz vector. */
-class diracgamma : public tensor
+class diracgamma : public cliffordunit
 {
-       GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(diracgamma, tensor)
+       GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(diracgamma, cliffordunit)
 
        // functions overriding virtual functions from base classes
 public:
@@ -98,12 +141,15 @@ protected:
 };
 
 
-/** This class represents the Dirac gamma5 object which anticommutes with
+/** This class represents the Dirac gamma5 object which anticommutates with
  *  all other gammas. */
 class diracgamma5 : public tensor
 {
        GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(diracgamma5, tensor)
 
+       // functions overriding virtual functions from base classes
+       ex conjugate() const;
+
        // non-virtual functions in this class
 protected:
        void do_print(const print_context & c, unsigned level) const;
@@ -117,6 +163,9 @@ class diracgammaL : public tensor
 {
        GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(diracgammaL, tensor)
 
+       // functions overriding virtual functions from base classes
+       ex conjugate() const;
+
        // non-virtual functions in this class
 protected:
        void do_print(const print_context & c, unsigned level) const;
@@ -130,6 +179,9 @@ class diracgammaR : public tensor
 {
        GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(diracgammaR, tensor)
 
+       // functions overriding virtual functions from base classes
+       ex conjugate() const;
+
        // non-virtual functions in this class
 protected:
        void do_print(const print_context & c, unsigned level) const;
@@ -151,6 +203,14 @@ template<> inline bool is_exactly_a<clifford>(const basic & obj)
  *  @return newly constructed object */
 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
 
+/** Create a Clifford unit object.
+ *
+ *  @param mu Index (must be of class varidx or a derived class)
+ *  @param metr Metric (should be indexed, tensmetric or a derived class, or a matrix)
+ *  @param rl Representation label
+ *  @return newly constructed Clifford unit object */
+ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
+
 /** Create a Dirac gamma object.
  *
  *  @param mu Index (must be of class varidx or a derived class)
@@ -178,10 +238,31 @@ ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
 
 /** Create a term of the form e_mu * gamma~mu with a unique index mu.
  *
+ *  @param e Original expression
  *  @param dim Dimension of index
  *  @param rl Representation label */
 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
 
+/** Calculate dirac traces over the specified set of representation labels.
+ *  The computed trace is a linear functional that is equal to the usual
+ *  trace only in D = 4 dimensions. In particular, the functional is not
+ *  always cyclic in D != 4 dimensions when gamma5 is involved.
+ *
+ *  @param e Expression to take the trace of
+ *  @param rls Set of representation labels
+ *  @param trONE Expression to be returned as the trace of the unit matrix */
+ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls, const ex & trONE = 4);
+
+/** Calculate dirac traces over the specified list of representation labels.
+ *  The computed trace is a linear functional that is equal to the usual
+ *  trace only in D = 4 dimensions. In particular, the functional is not
+ *  always cyclic in D != 4 dimensions when gamma5 is involved.
+ *
+ *  @param e Expression to take the trace of
+ *  @param rll List of representation labels
+ *  @param trONE Expression to be returned as the trace of the unit matrix */
+ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
+
 /** Calculate the trace of an expression containing gamma objects with
  *  a specified representation label. The computed trace is a linear
  *  functional that is equal to the usual trace only in D = 4 dimensions.
@@ -198,6 +279,90 @@ ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
  *  to check two expressions for equality. */
 ex canonicalize_clifford(const ex & e);
 
+/** Automorphism of the Clifford algebra, simply changes signs of all
+ *  clifford units. */
+ex clifford_prime(const ex & e);
+
+/** Main anti-automorphism of the Clifford algebra: makes reversion
+ *  and changes signs of all clifford units. */
+inline ex clifford_bar(const ex & e) { return clifford_prime(e.conjugate()); }
+
+/** Reversion of the Clifford algebra, coincides with the conjugate(). */
+inline ex clifford_star(const ex & e) { return e.conjugate(); }
+
+/** Replaces dirac_ONE's (with a representation_label no less than rl) in e with 1.
+ *  For the default value rl = 0 remove all of them. Aborts if e contains any 
+ *  clifford_unit with representation_label to be removed.
+ *
+ *  @param e Expression to be processed
+ *  @param rl Value of representation label 
+ *  @param options Defines some internal use */
+ex remove_dirac_ONE(const ex & e, unsigned char rl = 0, unsigned options = 0);
+
+/** Returns the maximal representation label of a clifford object 
+ *  if e contains at least one, otherwise returns -1 
+ *
+ *  @param e Expression to be processed
+ *  @ignore_ONE defines if clifford_ONE should be ignored in the search*/
+char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
+
+/** Calculation of the norm in the Clifford algebra. */
+ex clifford_norm(const ex & e);
+
+/** Calculation of the inverse in the Clifford algebra. */
+ex clifford_inverse(const ex & e);
+
+/** List or vector conversion into the Clifford vector.
+ *
+ *  @param v List or vector of coordinates
+ *  @param mu Index (must be of class varidx or a derived class)
+ *  @param metr Metric (should be indexed, tensmetric or a derived class, or a matrix)
+ *  @param rl Representation label
+ *  @param e Clifford unit object
+ *  @return Clifford vector with given components */
+ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr, unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
+ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
+
+/** An inverse function to lst_to_clifford(). For given Clifford vector extracts
+ *  its components with respect to given Clifford unit. Obtained components may 
+ *  contain Clifford units with a different metric. Extraction is based on 
+ *  the algebraic formula (e * c.i + c.i * e)/ pow(e.i, 2) for non-degenerate cases
+ *  (i.e. neither pow(e.i, 2) = 0).
+ *  
+ *  @param e Clifford expression to be decomposed into components
+ *  @param c Clifford unit defining the metric for splitting (should have numeric dimension of indices)
+ *  @param algebraic Use algebraic or symbolic algorithm for extractions 
+ *  @return List of components of a Clifford vector*/
+lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic=true);
+
+/** Calculations of Moebius transformations (conformal map) defined by a 2x2 Clifford matrix
+ *  (a b\\c d) in linear spaces with arbitrary signature. The expression is 
+ *  (a * x + b)/(c * x + d), where x is a vector build from list v with metric G.
+ *  (see Jan Cnops. An introduction to {D}irac operators on manifolds, v.24 of
+ *  Progress in Mathematical Physics. Birkhauser Boston Inc., Boston, MA, 2002.)
+ * 
+ *  @param a (1,1) entry of the defining matrix
+ *  @param b (1,2) entry of the defining matrix
+ *  @param c (2,1) entry of the defining matrix
+ *  @param d (2,2) entry of the defining matrix
+ *  @param v Vector to be transformed
+ *  @param G Metric of the surrounding space, may be a Clifford unit then the next parameter is ignored
+ *  @param rl Representation label 
+ *  @param anticommuting indicates if Clifford units anticommutes
+ *  @return List of components of the transformed vector*/
+ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c, const ex & d, const ex & v, const ex & G, unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
+
+/** The second form of Moebius transformations defined by a 2x2 Clifford matrix M
+ *  This function takes the transformation matrix M as a single entity.
+ * 
+ *  @param M the defining matrix
+ *  @param v Vector to be transformed
+ *  @param G Metric of the surrounding space, may be a Clifford unit then the next parameter is ignored
+ *  @param rl Representation label 
+ *  @param anticommuting indicates if Clifford units anticommutes
+ *  @return List of components of the transformed vector*/
+ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G, unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
+
 } // namespace GiNaC
 
 #endif // ndef __GINAC_CLIFFORD_H__