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[ginac.git] / ginac / indexed.h
index 4bade0b2666f5cde9bac718daf097913d08c3fd3..b15ed8b30ec892975e322178fb6f32da7f0b222a 100644 (file)
 /** @file indexed.h
  *
- *  Interface to GiNaC's index carrying objects. */
+ *  Interface to GiNaC's indexed expressions. */
 
-#ifndef _INDEXED_H_
-#define _INDEXED_H_
+/*
+ *  GiNaC Copyright (C) 1999-2001 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
+ *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
+ *  (at your option) any later version.
+ *
+ *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
+ *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ *  GNU General Public License for more details.
+ *
+ *  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
+ */
 
-#include <string>
+#ifndef __GINAC_INDEXED_H__
+#define __GINAC_INDEXED_H__
 
-class indexed;
+#include <map>
 
 #include "exprseq.h"
-#include "idx.h"
 
-/** Base class for non-commutative indexed objects */
+namespace GiNaC {
+
+
+class scalar_products;
+
+/** This class holds an indexed expression. It consists of a 'base' expression
+ *  (the expression being indexed) which can be accessed as op(0), and n (n >= 0)
+ *  indices (all of class idx), accessible as op(1)..op(n). */
 class indexed : public exprseq
 {
-// member functions
+       GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(indexed, exprseq)
 
-    // default constructor, destructor, copy constructor assignment operator and helpers
-public:
-    indexed();
-    ~indexed();
-    indexed(indexed const & other);
-    indexed const & operator=(indexed const & other);
-protected:
-    void copy(indexed const & other); 
-    void destroy(bool call_parent);
+       friend ex simplify_indexed(const ex & e, exvector & free_indices, const scalar_products & sp);
+       friend ex simplify_indexed_product(const ex & e, exvector & free_indices, const scalar_products & sp);
 
-    // other constructors
+       // types
+public:
+       /** Type of symmetry of the object with respect to commutation of its indices. */
+       typedef enum {
+               unknown,       /**< symmetry properties unknown */
+               symmetric,     /**< totally symmetric */
+               antisymmetric, /**< totally antisymmetric */
+               mixed          /**< mixed symmetry (unimplemented) */
+       } symmetry_type;
+
+       // other constructors
 public:
-    indexed(ex const & i1);
-    indexed(ex const & i1, ex const & i2);
-    indexed(ex const & i1, ex const & i2, ex const & i3);
-    indexed(exvector const & iv);
-    indexed(exvector * iv);
+       /** Construct indexed object with no index.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b);
+
+       /** Construct indexed object with one index. The index must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param i1 The index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, const ex & i1);
+
+       /** Construct indexed object with two indices. The indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, const ex & i1, const ex & i2);
+
+       /** Construct indexed object with three indices. The indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @param i3 Third index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
+
+       /** Construct indexed object with four indices. The indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @param i3 Third index
+        *  @param i4 Fourth index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4);
+
+       /** Construct indexed object with two indices and a specified symmetry. The
+        *  indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param symm Symmetry of indices
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, symmetry_type symm, const ex & i1, const ex & i2);
+
+       /** Construct indexed object with three indices and a specified symmetry.
+        *  The indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param symm Symmetry of indices
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @param i3 Third index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, symmetry_type symm, const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
+
+       /** Construct indexed object with four indices and a specified symmetry. The
+        *  indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param symm Symmetry of indices
+        *  @param i1 First index
+        *  @param i2 Second index
+        *  @param i3 Third index
+        *  @param i4 Fourth index
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, symmetry_type symm, const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4);
+
+       /** Construct indexed object with a specified vector of indices. The indices
+        *  must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param iv Vector of indices
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, const exvector & iv);
+
+       /** Construct indexed object with a specified vector of indices and
+        *  symmetry. The indices must be of class idx.
+        *
+        *  @param b Base expression
+        *  @param symm Symmetry of indices
+        *  @param iv Vector of indices
+        *  @return newly constructed indexed object */
+       indexed(const ex & b, symmetry_type symm, const exvector & iv);
+
+       // internal constructors
+       indexed(symmetry_type symm, const exprseq & es);
+       indexed(symmetry_type symm, const exvector & v, bool discardable = false);
+       indexed(symmetry_type symm, exvector * vp); // vp will be deleted
+
+       // functions overriding virtual functions from base classes
+public:
+       void printraw(std::ostream & os) const;
+       void printtree(std::ostream & os, unsigned indent) const;
+       void print(std::ostream & os, unsigned upper_precedence=0) const;
+       bool info(unsigned inf) const;
+       ex eval(int level = 0) const;
+       exvector get_free_indices(void) const;
 
-    // functions overriding virtual functions from base classes
+protected:
+       ex thisexprseq(const exvector & v) const;
+       ex thisexprseq(exvector * vp) const;
+       unsigned return_type(void) const { return return_types::commutative; }
+       ex expand(unsigned options = 0) const;
+
+       // new virtual functions which can be overridden by derived classes
+       // none
+       
+       // non-virtual functions in this class
 public:
-    basic * duplicate() const;
-    void printraw(ostream & os) const;
-    void printtree(ostream & os, unsigned indent) const;
-    void print(ostream & os, unsigned upper_precedence=0) const;
-    void printcsrc(ostream & os, unsigned type, unsigned upper_precedence) const;
-    bool info(unsigned inf) const;
-    ex diff(symbol const & s) const;
-    exvector get_indices(void) const;
+       /** Check whether all index values have a certain property.
+        *  @see class info_flags */
+       bool all_index_values_are(unsigned inf) const;
+
 protected:
-    int compare_same_type(basic const & other) const;
-    bool is_equal_same_type(basic const & other) const;
-    unsigned return_type(void) const;
-    unsigned return_type_tinfo(void) const;
-    ex thisexprseq(exvector const & v) const;
-    ex thisexprseq(exvector * vp) const;
-
-    // new virtual functions which can be overridden by derived classes
-    // none
-    
-    // non-virtual functions in this class
+       void printrawindices(std::ostream & os) const;
+       void printtreeindices(std::ostream & os, unsigned indent) const;
+       void printindices(std::ostream & os) const;
+       bool all_indices_of_type_idx(void) const;
+
+       // member variables
 protected:
-    void printrawindices(ostream & os) const;
-    void printtreeindices(ostream & os, unsigned indent) const;
-    void printindices(ostream & os) const;
-    bool all_of_type_idx(void) const;
+       symmetry_type symmetry; /**< Index symmetry */
+};
 
-// member variables
-    // none
+
+typedef std::pair<ex, ex> spmapkey;
+
+struct spmapkey_is_less {
+       bool operator() (const spmapkey &p, const spmapkey &q) const 
+       {
+               int cmp = p.first.compare(q.first);
+               return ((cmp<0) || (!(cmp>0) && p.second.compare(q.second)<0));
+       }
+};
+
+typedef std::map<spmapkey, ex, spmapkey_is_less> spmap;
+
+/** Helper class for storing information about known scalar products which
+ *  are to be automatically replaced by simplify_indexed().
+ *
+ *  @see simplify_indexed */
+class scalar_products {
+public:
+       /** Register scalar product pair and its value. */
+       void add(const ex & v1, const ex & v2, const ex & sp);
+
+       /** Clear all registered scalar products. */
+       void clear(void);
+
+       bool is_defined(const ex & v1, const ex & v2) const;
+       ex evaluate(const ex & v1, const ex & v2) const;
+       void debugprint(void) const;
+
+private:
+       static spmapkey make_key(const ex & v1, const ex & v2);
+
+       spmap spm; /*< Map from defined scalar product pairs to their values */
 };
 
-// global constants
 
-extern const indexed some_indexed;
-extern type_info const & typeid_indexed;
+// utility functions
+inline const indexed &ex_to_indexed(const ex &e)
+{
+       return static_cast<const indexed &>(*e.bp);
+}
 
-// macros
 
-#define ex_to_indexed(X) static_cast<indexed const &>(*(X).bp)
+/** Simplify/canonicalize expression containing indexed objects. This
+ *  performs contraction of dummy indices where possible and checks whether
+ *  the free indices in sums are consistent.
+ *
+ *  @param e The expression to be simplified
+ *  @return simplified expression */
+ex simplify_indexed(const ex & e);
+
+/** Simplify/canonicalize expression containing indexed objects. This
+ *  performs contraction of dummy indices where possible, checks whether
+ *  the free indices in sums are consistent, and automatically replaces
+ *  scalar products by known values if desired.
+ *
+ *  @param e The expression to be simplified
+ *  @param sp Scalar products to be replaced automatically
+ *  @return simplified expression */
+ex simplify_indexed(const ex & e, const scalar_products & sp);
 
-#endif // ndef _INDEXED_H_
 
+} // namespace GiNaC
 
+#endif // ndef __GINAC_INDEXED_H__