]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/normal.cpp
- moved polynomial interpolation in heur_gcd() to its own function
[ginac.git] / ginac / normal.cpp
index a8f64be82a988a330c6cb70997b60b86ae858af2..79d16461631e4533beaf0d6856b9a17e0b3fa182 100644 (file)
@@ -3,8 +3,7 @@
  *  This file implements several functions that work on univariate and
  *  multivariate polynomials and rational functions.
  *  These functions include polynomial quotient and remainder, GCD and LCM
- *  computation, square-free factorization and rational function normalization.
- */
+ *  computation, square-free factorization and rational function normalization. */
 
 /*
  *  GiNaC Copyright (C) 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
@@ -57,7 +56,35 @@ namespace GiNaC {
 #define FAST_COMPARE 1
 
 // Set this if you want divide_in_z() to use remembering
-#define USE_REMEMBER 1
+#define USE_REMEMBER 0
+
+// Set this if you want divide_in_z() to use trial division followed by
+// polynomial interpolation (always slower except for completely dense
+// polynomials)
+#define USE_TRIAL_DIVISION 0
+
+// Set this to enable some statistical output for the GCD routines
+#define STATISTICS 0
+
+
+#if STATISTICS
+// Statistics variables
+static int gcd_called = 0;
+static int sr_gcd_called = 0;
+static int heur_gcd_called = 0;
+static int heur_gcd_failed = 0;
+
+// Print statistics at end of program
+static struct _stat_print {
+       _stat_print() {}
+       ~_stat_print() {
+               cout << "gcd() called " << gcd_called << " times\n";
+               cout << "sr_gcd() called " << sr_gcd_called << " times\n";
+               cout << "heur_gcd() called " << heur_gcd_called << " times\n";
+               cout << "heur_gcd() failed " << heur_gcd_failed << " times\n";
+       }
+} stat_print;
+#endif
 
 
 /** Return pointer to first symbol found in expression.  Due to GiNaCĀ“s
@@ -67,7 +94,6 @@ namespace GiNaC {
  *  @param e  expression to search
  *  @param x  pointer to first symbol found (returned)
  *  @return "false" if no symbol was found, "true" otherwise */
-
 static bool get_first_symbol(const ex &e, const symbol *&x)
 {
     if (is_ex_exactly_of_type(e, symbol)) {
@@ -111,11 +137,11 @@ struct sym_desc {
     /** Lowest degree of symbol in polynomial "b" */
     int ldeg_b;
 
-    /** Minimum of ldeg_a and ldeg_b (Used for sorting) */
-    int min_deg;
+    /** Maximum of deg_a and deg_b (Used for sorting) */
+    int max_deg;
 
     /** Commparison operator for sorting */
-    bool operator<(const sym_desc &x) const {return min_deg < x.min_deg;}
+    bool operator<(const sym_desc &x) const {return max_deg < x.max_deg;}
 };
 
 // Vector of sym_desc structures
@@ -160,7 +186,6 @@ static void collect_symbols(const ex &e, sym_desc_vec &v)
  *  @param a  first multivariate polynomial
  *  @param b  second multivariate polynomial
  *  @param v  vector of sym_desc structs (filled in) */
-
 static void get_symbol_stats(const ex &a, const ex &b, sym_desc_vec &v)
 {
     collect_symbols(a.eval(), v);   // eval() to expand assigned symbols
@@ -171,12 +196,21 @@ static void get_symbol_stats(const ex &a, const ex &b, sym_desc_vec &v)
         int deg_b = b.degree(*(it->sym));
         it->deg_a = deg_a;
         it->deg_b = deg_b;
-        it->min_deg = min(deg_a, deg_b);
+        it->max_deg = max(deg_a, deg_b);
         it->ldeg_a = a.ldegree(*(it->sym));
         it->ldeg_b = b.ldegree(*(it->sym));
         it++;
     }
     sort(v.begin(), v.end());
+#if 0
+       clog << "Symbols:\n";
+       it = v.begin(); itend = v.end();
+       while (it != itend) {
+               clog << " " << *it->sym << ": deg_a=" << it->deg_a << ", deg_b=" << it->deg_b << ", ldeg_a=" << it->ldeg_a << ", ldeg_b=" << it->ldeg_b << ", max_deg=" << it->max_deg << endl;
+               clog << "  lcoeff_a=" << a.lcoeff(*(it->sym)) << ", lcoeff_b=" << b.lcoeff(*(it->sym)) << endl;
+               it++;
+       }
+#endif
 }
 
 
@@ -212,7 +246,6 @@ static numeric lcmcoeff(const ex &e, const numeric &l)
  *
  *  @param e  multivariate polynomial (need not be expanded)
  *  @return LCM of denominators of coefficients */
-
 static numeric lcm_of_coefficients_denominators(const ex &e)
 {
     return lcmcoeff(e, _num1());
@@ -223,7 +256,6 @@ static numeric lcm_of_coefficients_denominators(const ex &e)
  *
  *  @param e  multivariate polynomial (need not be expanded)
  *  @param lcm  LCM to multiply in */
-
 static ex multiply_lcm(const ex &e, const numeric &lcm)
 {
        if (is_ex_exactly_of_type(e, mul)) {
@@ -253,7 +285,6 @@ static ex multiply_lcm(const ex &e, const numeric &lcm)
  *
  *  @param e  expanded polynomial
  *  @return integer content */
-
 numeric ex::integer_content(void) const
 {
     GINAC_ASSERT(bp!=0);
@@ -314,7 +345,6 @@ numeric mul::integer_content(void) const
  *  @param check_args  check whether a and b are polynomials with rational
  *         coefficients (defaults to "true")
  *  @return quotient of a and b in Q[x] */
-
 ex quo(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
 {
     if (b.is_zero())
@@ -365,7 +395,6 @@ ex quo(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
  *  @param check_args  check whether a and b are polynomials with rational
  *         coefficients (defaults to "true")
  *  @return remainder of a(x) and b(x) in Q[x] */
-
 ex rem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
 {
     if (b.is_zero())
@@ -417,7 +446,6 @@ ex rem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
  *  @param check_args  check whether a and b are polynomials with rational
  *         coefficients (defaults to "true")
  *  @return pseudo-remainder of a(x) and b(x) in Z[x] */
-
 ex prem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
 {
     if (b.is_zero())
@@ -462,6 +490,57 @@ ex prem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
 }
 
 
+/** Sparse pseudo-remainder of polynomials a(x) and b(x) in Z[x].
+ *
+ *  @param a  first polynomial in x (dividend)
+ *  @param b  second polynomial in x (divisor)
+ *  @param x  a and b are polynomials in x
+ *  @param check_args  check whether a and b are polynomials with rational
+ *         coefficients (defaults to "true")
+ *  @return sparse pseudo-remainder of a(x) and b(x) in Z[x] */
+
+ex sprem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
+{
+    if (b.is_zero())
+        throw(std::overflow_error("prem: division by zero"));
+    if (is_ex_exactly_of_type(a, numeric)) {
+        if (is_ex_exactly_of_type(b, numeric))
+            return _ex0();
+        else
+            return b;
+    }
+    if (check_args && (!a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)))
+        throw(std::invalid_argument("prem: arguments must be polynomials over the rationals"));
+
+    // Polynomial long division
+    ex r = a.expand();
+    ex eb = b.expand();
+    int rdeg = r.degree(x);
+    int bdeg = eb.degree(x);
+    ex blcoeff;
+    if (bdeg <= rdeg) {
+        blcoeff = eb.coeff(x, bdeg);
+        if (bdeg == 0)
+            eb = _ex0();
+        else
+            eb -= blcoeff * power(x, bdeg);
+    } else
+        blcoeff = _ex1();
+
+    while (rdeg >= bdeg && !r.is_zero()) {
+        ex rlcoeff = r.coeff(x, rdeg);
+        ex term = (power(x, rdeg - bdeg) * eb * rlcoeff).expand();
+        if (rdeg == 0)
+            r = _ex0();
+        else
+            r -= rlcoeff * power(x, rdeg);
+        r = (blcoeff * r).expand() - term;
+        rdeg = r.degree(x);
+    }
+    return r;
+}
+
+
 /** Exact polynomial division of a(X) by b(X) in Q[X].
  *  
  *  @param a  first multivariate polynomial (dividend)
@@ -471,12 +550,13 @@ ex prem(const ex &a, const ex &b, const symbol &x, bool check_args)
  *         coefficients (defaults to "true")
  *  @return "true" when exact division succeeds (quotient returned in q),
  *          "false" otherwise */
-
 bool divide(const ex &a, const ex &b, ex &q, bool check_args)
 {
     q = _ex0();
     if (b.is_zero())
         throw(std::overflow_error("divide: division by zero"));
+    if (a.is_zero())
+        return true;
     if (is_ex_exactly_of_type(b, numeric)) {
         q = a / b;
         return true;
@@ -488,7 +568,8 @@ bool divide(const ex &a, const ex &b, ex &q, bool check_args)
         return true;
     }
 #endif
-    if (check_args && (!a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)))
+    if (check_args && (!a.info(info_flags::rational_polynomial) ||
+                       !b.info(info_flags::rational_polynomial)))
         throw(std::invalid_argument("divide: arguments must be polynomials over the rationals"));
 
     // Find first symbol
@@ -598,38 +679,9 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
     if (bdeg > adeg)
         return false;
 
-#if 1
+#if USE_TRIAL_DIVISION
 
-    // Polynomial long division (recursive)
-    ex r = a.expand();
-    if (r.is_zero())
-        return true;
-    int rdeg = adeg;
-    ex eb = b.expand();
-    ex blcoeff = eb.coeff(*x, bdeg);
-    while (rdeg >= bdeg) {
-        ex term, rcoeff = r.coeff(*x, rdeg);
-        if (!divide_in_z(rcoeff, blcoeff, term, var+1))
-            break;
-        term = (term * power(*x, rdeg - bdeg)).expand();
-        q += term;
-        r -= (term * eb).expand();
-        if (r.is_zero()) {
-#if USE_REMEMBER
-            dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, true);
-#endif
-            return true;
-        }
-        rdeg = r.degree(*x);
-    }
-#if USE_REMEMBER
-    dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, false);
-#endif
-    return false;
-
-#else
-
-    // Trial division using polynomial interpolation
+    // Trial division with polynomial interpolation
     int i, k;
 
     // Compute values at evaluation points 0..adeg
@@ -652,7 +704,7 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
 
     // Compute inverses
     vector<numeric> rcp; rcp.reserve(adeg + 1);
-    rcp.push_back(0);
+    rcp.push_back(_num0());
     for (k=1; k<=adeg; k++) {
         numeric product = alpha[k] - alpha[0];
         for (i=1; i<k; i++)
@@ -680,6 +732,36 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
         return true;
     } else
         return false;
+
+#else
+
+    // Polynomial long division (recursive)
+    ex r = a.expand();
+    if (r.is_zero())
+        return true;
+    int rdeg = adeg;
+    ex eb = b.expand();
+    ex blcoeff = eb.coeff(*x, bdeg);
+    while (rdeg >= bdeg) {
+        ex term, rcoeff = r.coeff(*x, rdeg);
+        if (!divide_in_z(rcoeff, blcoeff, term, var+1))
+            break;
+        term = (term * power(*x, rdeg - bdeg)).expand();
+        q += term;
+        r -= (term * eb).expand();
+        if (r.is_zero()) {
+#if USE_REMEMBER
+            dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, true);
+#endif
+            return true;
+        }
+        rdeg = r.degree(*x);
+    }
+#if USE_REMEMBER
+    dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, false);
+#endif
+    return false;
+
 #endif
 }
 
@@ -778,7 +860,6 @@ ex ex::primpart(const symbol &x) const
  *  @param x  variable in which to compute the primitive part
  *  @param c  previously computed content part
  *  @return primitive part */
-
 ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
 {
     if (is_zero())
@@ -800,8 +881,9 @@ ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
  *  GCD of multivariate polynomials
  */
 
-/** Compute GCD of multivariate polynomials using the subresultant PRS
- *  algorithm. This function is used internally gy gcd().
+/** Compute GCD of polynomials in Q[X] using the Euclidean algorithm (not
+ *  really suited for multivariate GCDs). This function is only provided for
+ *  testing purposes.
  *
  *  @param a  first multivariate polynomial
  *  @param b  second multivariate polynomial
@@ -809,9 +891,141 @@ ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
  *  @return the GCD as a new expression
  *  @see gcd */
 
-static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
+static ex eu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
-//clog << "sr_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//clog << "eu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+
+    // Sort c and d so that c has higher degree
+    ex c, d;
+    int adeg = a.degree(*x), bdeg = b.degree(*x);
+    if (adeg >= bdeg) {
+        c = a;
+        d = b;
+    } else {
+        c = b;
+        d = a;
+    }
+
+       // Normalize in Q[x]
+       c = c / c.lcoeff(*x);
+       d = d / d.lcoeff(*x);
+
+       // Euclidean algorithm
+    ex r;
+    for (;;) {
+//clog << " d = " << d << endl;
+        r = rem(c, d, *x, false);
+        if (r.is_zero())
+            return d / d.lcoeff(*x);
+        c = d;
+               d = r;
+    }
+}
+
+
+/** Compute GCD of multivariate polynomials using the Euclidean PRS algorithm
+ *  with pseudo-remainders ("World's Worst GCD Algorithm", staying in Z[X]).
+ *  This function is only provided for testing purposes.
+ *
+ *  @param a  first multivariate polynomial
+ *  @param b  second multivariate polynomial
+ *  @param x  pointer to symbol (main variable) in which to compute the GCD in
+ *  @return the GCD as a new expression
+ *  @see gcd */
+
+static ex euprem_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
+{
+//clog << "euprem_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+
+    // Sort c and d so that c has higher degree
+    ex c, d;
+    int adeg = a.degree(*x), bdeg = b.degree(*x);
+    if (adeg >= bdeg) {
+        c = a;
+        d = b;
+    } else {
+        c = b;
+        d = a;
+    }
+
+       // Calculate GCD of contents
+       ex gamma = gcd(c.content(*x), d.content(*x), NULL, NULL, false);
+
+       // Euclidean algorithm with pseudo-remainders
+    ex r;
+    for (;;) {
+//clog << " d = " << d << endl;
+        r = prem(c, d, *x, false);
+        if (r.is_zero())
+            return d.primpart(*x) * gamma;
+        c = d;
+               d = r;
+    }
+}
+
+
+/** Compute GCD of multivariate polynomials using the primitive Euclidean
+ *  PRS algorithm (complete content removal at each step). This function is
+ *  only provided for testing purposes.
+ *
+ *  @param a  first multivariate polynomial
+ *  @param b  second multivariate polynomial
+ *  @param x  pointer to symbol (main variable) in which to compute the GCD in
+ *  @return the GCD as a new expression
+ *  @see gcd */
+
+static ex peu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
+{
+//clog << "peu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+
+    // Sort c and d so that c has higher degree
+    ex c, d;
+    int adeg = a.degree(*x), bdeg = b.degree(*x);
+    int ddeg;
+    if (adeg >= bdeg) {
+        c = a;
+        d = b;
+        ddeg = bdeg;
+    } else {
+        c = b;
+        d = a;
+        ddeg = adeg;
+    }
+
+    // Remove content from c and d, to be attached to GCD later
+    ex cont_c = c.content(*x);
+    ex cont_d = d.content(*x);
+    ex gamma = gcd(cont_c, cont_d, NULL, NULL, false);
+    if (ddeg == 0)
+        return gamma;
+    c = c.primpart(*x, cont_c);
+    d = d.primpart(*x, cont_d);
+
+    // Euclidean algorithm with content removal
+       ex r;
+    for (;;) {
+//clog << " d = " << d << endl;
+        r = prem(c, d, *x, false);
+        if (r.is_zero())
+            return gamma * d;
+        c = d;
+               d = r.primpart(*x);
+    }
+}
+
+
+/** Compute GCD of multivariate polynomials using the reduced PRS algorithm.
+ *  This function is only provided for testing purposes.
+ *
+ *  @param a  first multivariate polynomial
+ *  @param b  second multivariate polynomial
+ *  @param x  pointer to symbol (main variable) in which to compute the GCD in
+ *  @return the GCD as a new expression
+ *  @see gcd */
+
+static ex red_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
+{
+//clog << "red_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
@@ -838,19 +1052,21 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
     c = c.primpart(*x, cont_c);
     d = d.primpart(*x, cont_d);
 
-    // First element of subresultant sequence
-    ex r = _ex0(), ri = _ex1(), psi = _ex1();
+    // First element of divisor sequence
+    ex r, ri = _ex1();
     int delta = cdeg - ddeg;
 
     for (;;) {
         // Calculate polynomial pseudo-remainder
+//clog << " d = " << d << endl;
         r = prem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
             return gamma * d.primpart(*x);
         c = d;
         cdeg = ddeg;
-        if (!divide(r, ri * power(psi, delta), d, false))
-            throw(std::runtime_error("invalid expression in sr_gcd(), division failed"));
+
+        if (!divide(r, pow(ri, delta), d, false))
+            throw(std::runtime_error("invalid expression in red_gcd(), division failed"));
         ddeg = d.degree(*x);
         if (ddeg == 0) {
             if (is_ex_exactly_of_type(r, numeric))
@@ -859,12 +1075,88 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
                 return gamma * r.primpart(*x);
         }
 
-        // Next element of subresultant sequence
         ri = c.expand().lcoeff(*x);
+        delta = cdeg - ddeg;
+    }
+}
+
+
+/** Compute GCD of multivariate polynomials using the subresultant PRS
+ *  algorithm. This function is used internally by gcd().
+ *
+ *  @param a   first multivariate polynomial
+ *  @param b   second multivariate polynomial
+ *  @param var iterator to first element of vector of sym_desc structs
+ *  @return the GCD as a new expression
+ *  @see gcd */
+
+static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, sym_desc_vec::const_iterator var)
+{
+//clog << "sr_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+#if STATISTICS
+       sr_gcd_called++;
+#endif
+
+    // The first symbol is our main variable
+    const symbol &x = *(var->sym);
+
+    // Sort c and d so that c has higher degree
+    ex c, d;
+    int adeg = a.degree(x), bdeg = b.degree(x);
+    int cdeg, ddeg;
+    if (adeg >= bdeg) {
+        c = a;
+        d = b;
+        cdeg = adeg;
+        ddeg = bdeg;
+    } else {
+        c = b;
+        d = a;
+        cdeg = bdeg;
+        ddeg = adeg;
+    }
+
+    // Remove content from c and d, to be attached to GCD later
+    ex cont_c = c.content(x);
+    ex cont_d = d.content(x);
+    ex gamma = gcd(cont_c, cont_d, NULL, NULL, false);
+    if (ddeg == 0)
+        return gamma;
+    c = c.primpart(x, cont_c);
+    d = d.primpart(x, cont_d);
+//clog << " content " << gamma << " removed, continuing with sr_gcd(" << c << "," << d << ")\n";
+
+    // First element of subresultant sequence
+    ex r = _ex0(), ri = _ex1(), psi = _ex1();
+    int delta = cdeg - ddeg;
+
+    for (;;) {
+        // Calculate polynomial pseudo-remainder
+//clog << " start of loop, psi = " << psi << ", calculating pseudo-remainder...\n";
+//clog << " d = " << d << endl;
+        r = prem(c, d, x, false);
+        if (r.is_zero())
+            return gamma * d.primpart(x);
+        c = d;
+        cdeg = ddeg;
+//clog << " dividing...\n";
+        if (!divide_in_z(r, ri * pow(psi, delta), d, var+1))
+            throw(std::runtime_error("invalid expression in sr_gcd(), division failed"));
+        ddeg = d.degree(x);
+        if (ddeg == 0) {
+            if (is_ex_exactly_of_type(r, numeric))
+                return gamma;
+            else
+                return gamma * r.primpart(x);
+        }
+
+        // Next element of subresultant sequence
+//clog << " calculating next subresultant...\n";
+        ri = c.expand().lcoeff(x);
         if (delta == 1)
             psi = ri;
         else if (delta)
-            divide(power(ri, delta), power(psi, delta-1), psi, false);
+            divide_in_z(pow(ri, delta), pow(psi, delta-1), psi, var+1);
         delta = cdeg - ddeg;
     }
 }
@@ -876,7 +1168,6 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
  *  @param e  expanded multivariate polynomial
  *  @return maximum coefficient
  *  @see heur_gcd */
-
 numeric ex::max_coefficient(void) const
 {
     GINAC_ASSERT(bp!=0);
@@ -932,7 +1223,6 @@ numeric mul::max_coefficient(void) const
  *  @param xi  modulus
  *  @return mapped polynomial
  *  @see heur_gcd */
-
 ex ex::smod(const numeric &xi) const
 {
     GINAC_ASSERT(bp!=0);
@@ -1002,6 +1292,20 @@ ex mul::smod(const numeric &xi) const
 }
 
 
+/** xi-adic polynomial interpolation */
+static ex interpolate(const ex &gamma, const numeric &xi, const symbol &x)
+{
+       ex g = _ex0();
+       ex e = gamma;
+       numeric rxi = xi.inverse();
+       for (int i=0; !e.is_zero(); i++) {
+               ex gi = e.smod(xi);
+               g += gi * power(x, i);
+               e = (e - gi) * rxi;
+       }
+       return g;
+}
+
 /** Exception thrown by heur_gcd() to signal failure. */
 class gcdheu_failed {};
 
@@ -1020,10 +1324,12 @@ class gcdheu_failed {};
  *  @return the GCD as a new expression
  *  @see gcd
  *  @exception gcdheu_failed() */
-
 static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const_iterator var)
 {
 //clog << "heur_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+#if STATISTICS
+       heur_gcd_called++;
+#endif
 
        // GCD of two numeric values -> CLN
     if (is_ex_exactly_of_type(a, numeric) && is_ex_exactly_of_type(b, numeric)) {
@@ -1039,14 +1345,14 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
     }
 
     // The first symbol is our main variable
-    const symbol *x = var->sym;
+    const symbol &x = *(var->sym);
 
     // Remove integer content
     numeric gc = gcd(a.integer_content(), b.integer_content());
     numeric rgc = gc.inverse();
     ex p = a * rgc;
     ex q = b * rgc;
-    int maxdeg = max(p.degree(*x), q.degree(*x));
+    int maxdeg = max(p.degree(x), q.degree(x));
 
     // Find evaluation point
     numeric mp = p.max_coefficient(), mq = q.max_coefficient();
@@ -1057,37 +1363,61 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
         xi = mp * _num2() + _num2();
 
     // 6 tries maximum
-    for (int t=0; t<6; t++) {  // MAGIC
-        if (xi.int_length() * maxdeg > 100000) {  // MAGIC
-// clog << "giving up heur_gcd, xi.int_length = " << xi.int_length() << ", maxdeg = " << maxdeg << endl;
+    for (int t=0; t<6; t++) {
+        if (xi.int_length() * maxdeg > 100000) {
+//clog << "giving up heur_gcd, xi.int_length = " << xi.int_length() << ", maxdeg = " << maxdeg << endl;
             throw gcdheu_failed();
                }
 
         // Apply evaluation homomorphism and calculate GCD
-        ex gamma = heur_gcd(p.subs(*x == xi), q.subs(*x == xi), NULL, NULL, var+1).expand();
+               ex cp, cq;
+        ex gamma = heur_gcd(p.subs(x == xi), q.subs(x == xi), &cp, &cq, var+1).expand();
         if (!is_ex_exactly_of_type(gamma, fail)) {
 
             // Reconstruct polynomial from GCD of mapped polynomials
-            ex g = _ex0();
-            numeric rxi = xi.inverse();
-            for (int i=0; !gamma.is_zero(); i++) {
-                ex gi = gamma.smod(xi);
-                g += gi * power(*x, i);
-                gamma = (gamma - gi) * rxi;
-            }
+                       ex g = interpolate(gamma, xi, x);
+
             // Remove integer content
             g /= g.integer_content();
 
-            // If the calculated polynomial divides both a and b, this is the GCD
+            // If the calculated polynomial divides both p and q, this is the GCD
             ex dummy;
             if (divide_in_z(p, g, ca ? *ca : dummy, var) && divide_in_z(q, g, cb ? *cb : dummy, var)) {
                 g *= gc;
-                ex lc = g.lcoeff(*x);
+                ex lc = g.lcoeff(x);
                 if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
                     return -g;
                 else
                     return g;
             }
+#if 0
+                       cp = interpolate(cp, xi, x);
+                       if (divide_in_z(cp, p, g, var)) {
+                               if (divide_in_z(g, q, cb ? *cb : dummy, var)) {
+                                       g *= gc;
+                                       if (ca)
+                                               *ca = cp;
+                       ex lc = g.lcoeff(x);
+                       if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
+                           return -g;
+                       else
+                           return g;
+                               }
+                       }
+                       cq = interpolate(cq, xi, x);
+                       if (divide_in_z(cq, q, g, var)) {
+                               if (divide_in_z(g, p, ca ? *ca : dummy, var)) {
+                                       g *= gc;
+                                       if (cb)
+                                               *cb = cq;
+                       ex lc = g.lcoeff(x);
+                       if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
+                           return -g;
+                       else
+                           return g;
+                               }
+                       }
+#endif
         }
 
         // Next evaluation point
@@ -1105,10 +1435,27 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
  *  @param check_args  check whether a and b are polynomials with rational
  *         coefficients (defaults to "true")
  *  @return the GCD as a new expression */
-
 ex gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, bool check_args)
 {
 //clog << "gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+#if STATISTICS
+       gcd_called++;
+#endif
+
+       // GCD of numerics -> CLN
+    if (is_ex_exactly_of_type(a, numeric) && is_ex_exactly_of_type(b, numeric)) {
+        numeric g = gcd(ex_to_numeric(a), ex_to_numeric(b));
+        if (ca)
+            *ca = ex_to_numeric(a) / g;
+        if (cb)
+            *cb = ex_to_numeric(b) / g;
+        return g;
+    }
+
+       // Check arguments
+    if (check_args && !a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)) {
+        throw(std::invalid_argument("gcd: arguments must be polynomials over the rationals"));
+    }
 
        // Partially factored cases (to avoid expanding large expressions)
        if (is_ex_exactly_of_type(a, mul)) {
@@ -1149,6 +1496,51 @@ factored_b:
                return g;
        }
 
+#if FAST_COMPARE
+       // Input polynomials of the form poly^n are sometimes also trivial
+       if (is_ex_exactly_of_type(a, power)) {
+               ex p = a.op(0);
+               if (is_ex_exactly_of_type(b, power)) {
+                       if (p.is_equal(b.op(0))) {
+                               // a = p^n, b = p^m, gcd = p^min(n, m)
+                               ex exp_a = a.op(1), exp_b = b.op(1);
+                               if (exp_a < exp_b) {
+                                       if (ca)
+                                               *ca = _ex1();
+                                       if (cb)
+                                               *cb = power(p, exp_b - exp_a);
+                                       return power(p, exp_a);
+                               } else {
+                                       if (ca)
+                                               *ca = power(p, exp_a - exp_b);
+                                       if (cb)
+                                               *cb = _ex1();
+                                       return power(p, exp_b);
+                               }
+                       }
+               } else {
+                       if (p.is_equal(b)) {
+                               // a = p^n, b = p, gcd = p
+                               if (ca)
+                                       *ca = power(p, a.op(1) - 1);
+                               if (cb)
+                                       *cb = _ex1();
+                               return p;
+                       }
+               }
+       } else if (is_ex_exactly_of_type(b, power)) {
+               ex p = b.op(0);
+               if (p.is_equal(a)) {
+                       // a = p, b = p^n, gcd = p
+                       if (ca)
+                               *ca = _ex1();
+                       if (cb)
+                               *cb = power(p, b.op(1) - 1);
+                       return p;
+               }
+       }
+#endif
+
     // Some trivial cases
        ex aex = a.expand(), bex = b.expand();
     if (aex.is_zero()) {
@@ -1181,17 +1573,6 @@ factored_b:
         return a;
     }
 #endif
-    if (is_ex_exactly_of_type(aex, numeric) && is_ex_exactly_of_type(bex, numeric)) {
-        numeric g = gcd(ex_to_numeric(aex), ex_to_numeric(bex));
-        if (ca)
-            *ca = ex_to_numeric(aex) / g;
-        if (cb)
-            *cb = ex_to_numeric(bex) / g;
-        return g;
-    }
-    if (check_args && !a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)) {
-        throw(std::invalid_argument("gcd: arguments must be polynomials over the rationals"));
-    }
 
     // Gather symbol statistics
     sym_desc_vec sym_stats;
@@ -1199,37 +1580,38 @@ factored_b:
 
     // The symbol with least degree is our main variable
     sym_desc_vec::const_iterator var = sym_stats.begin();
-    const symbol *x = var->sym;
+    const symbol &x = *(var->sym);
 
     // Cancel trivial common factor
     int ldeg_a = var->ldeg_a;
     int ldeg_b = var->ldeg_b;
     int min_ldeg = min(ldeg_a, ldeg_b);
     if (min_ldeg > 0) {
-        ex common = power(*x, min_ldeg);
+        ex common = power(x, min_ldeg);
 //clog << "trivial common factor " << common << endl;
         return gcd((aex / common).expand(), (bex / common).expand(), ca, cb, false) * common;
     }
 
     // Try to eliminate variables
     if (var->deg_a == 0) {
-//clog << "eliminating variable " << *x << " from b" << endl;
-        ex c = bex.content(*x);
+//clog << "eliminating variable " << x << " from b" << endl;
+        ex c = bex.content(x);
         ex g = gcd(aex, c, ca, cb, false);
         if (cb)
-            *cb *= bex.unit(*x) * bex.primpart(*x, c);
+            *cb *= bex.unit(x) * bex.primpart(x, c);
         return g;
     } else if (var->deg_b == 0) {
-//clog << "eliminating variable " << *x << " from a" << endl;
-        ex c = aex.content(*x);
+//clog << "eliminating variable " << x << " from a" << endl;
+        ex c = aex.content(x);
         ex g = gcd(c, bex, ca, cb, false);
         if (ca)
-            *ca *= aex.unit(*x) * aex.primpart(*x, c);
+            *ca *= aex.unit(x) * aex.primpart(x, c);
         return g;
     }
 
-    // Try heuristic algorithm first, fall back to PRS if that failed
     ex g;
+#if 1
+    // Try heuristic algorithm first, fall back to PRS if that failed
     try {
         g = heur_gcd(aex, bex, ca, cb, var);
     } catch (gcdheu_failed) {
@@ -1237,12 +1619,39 @@ factored_b:
     }
     if (is_ex_exactly_of_type(g, fail)) {
 //clog << "heuristics failed" << endl;
-        g = sr_gcd(aex, bex, x);
-        if (ca)
-            divide(aex, g, *ca, false);
-        if (cb)
-            divide(bex, g, *cb, false);
-    }
+#if STATISTICS
+               heur_gcd_failed++;
+#endif
+#endif
+//             g = heur_gcd(aex, bex, ca, cb, var);
+//             g = eu_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = euprem_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = peu_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = red_gcd(aex, bex, &x);
+               g = sr_gcd(aex, bex, var);
+               if (g.is_equal(_ex1())) {
+                       // Keep cofactors factored if possible
+                       if (ca)
+                               *ca = a;
+                       if (cb)
+                               *cb = b;
+               } else {
+               if (ca)
+                   divide(aex, g, *ca, false);
+               if (cb)
+                   divide(bex, g, *cb, false);
+               }
+#if 1
+    } else {
+               if (g.is_equal(_ex1())) {
+                       // Keep cofactors factored if possible
+                       if (ca)
+                               *ca = a;
+                       if (cb)
+                               *cb = b;
+               }
+       }
+#endif
     return g;
 }
 
@@ -1351,8 +1760,8 @@ ex sqrfree(const ex &a, const symbol &x)
  */
 
 /** Create a symbol for replacing the expression "e" (or return a previously
- *  assigned symbol). The symbol is appended to sym_list and returned, the
- *  expression is appended to repl_list.
+ *  assigned symbol). The symbol is appended to sym_lst and returned, the
+ *  expression is appended to repl_lst.
  *  @see ex::normal */
 static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &sym_lst, lst &repl_lst)
 {
@@ -1360,7 +1769,7 @@ static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &sym_lst, lst &repl_lst)
     for (unsigned i=0; i<repl_lst.nops(); i++)
         if (repl_lst.op(i).is_equal(e))
             return sym_lst.op(i);
-
+    
     // Otherwise create new symbol and add to list, taking care that the
        // replacement expression doesn't contain symbols from the sym_lst
        // because subs() is not recursive
@@ -1372,6 +1781,26 @@ static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &sym_lst, lst &repl_lst)
     return es;
 }
 
+/** Create a symbol for replacing the expression "e" (or return a previously
+ *  assigned symbol). An expression of the form "symbol == expression" is added
+ *  to repl_lst and the symbol is returned.
+ *  @see ex::to_rational */
+static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &repl_lst)
+{
+    // Expression already in repl_lst? Then return the assigned symbol
+    for (unsigned i=0; i<repl_lst.nops(); i++)
+        if (repl_lst.op(i).op(1).is_equal(e))
+            return repl_lst.op(i).op(0);
+    
+    // Otherwise create new symbol and add to list, taking care that the
+       // replacement expression doesn't contain symbols from the sym_lst
+       // because subs() is not recursive
+       symbol s;
+       ex es(s);
+       ex e_replaced = e.subs(repl_lst);
+    repl_lst.append(es == e_replaced);
+    return es;
+}
 
 /** Default implementation of ex::normal(). It replaces the object with a
  *  temporary symbol.
@@ -1469,6 +1898,11 @@ static ex frac_cancel(const ex &n, const ex &d)
  *  @see ex::normal */
 ex add::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
 {
+       if (level == 1)
+               return (new lst(*this, _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
+       else if (level == -max_recursion_level)
+        throw(std::runtime_error("max recursion level reached"));
+
     // Normalize and expand children, chop into summands
     exvector o;
     o.reserve(seq.size()+1);
@@ -1545,6 +1979,11 @@ ex add::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
  *  @see ex::normal() */
 ex mul::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
 {
+       if (level == 1)
+               return (new lst(*this, _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
+       else if (level == -max_recursion_level)
+        throw(std::runtime_error("max recursion level reached"));
+
     // Normalize children, separate into numerator and denominator
        ex num = _ex1();
        ex den = _ex1(); 
@@ -1571,6 +2010,11 @@ ex mul::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
  *  @see ex::normal */
 ex power::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
 {
+       if (level == 1)
+               return (new lst(*this, _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
+       else if (level == -max_recursion_level)
+        throw(std::runtime_error("max recursion level reached"));
+
        // Normalize basis
     ex n = basis.bp->normal(sym_lst, repl_lst, level-1);
 
@@ -1634,12 +2078,20 @@ ex pseries::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
 }
 
 
+/** Implementation of ex::normal() for relationals. It normalizes both sides.
+ *  @see ex::normal */
+ex relational::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
+{
+       return (new lst(relational(lh.normal(), rh.normal(), o), _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
+}
+
+
 /** Normalization of rational functions.
  *  This function converts an expression to its normal form
  *  "numerator/denominator", where numerator and denominator are (relatively
  *  prime) polynomials. Any subexpressions which are not rational functions
- *  (like non-rational numbers, non-integer powers or functions like Sin(),
- *  Cos() etc.) are replaced by temporary symbols which are re-substituted by
+ *  (like non-rational numbers, non-integer powers or functions like sin(),
+ *  cos() etc.) are replaced by temporary symbols which are re-substituted by
  *  the (normalized) subexpressions before normal() returns (this way, any
  *  expression can be treated as a rational function). normal() is applied
  *  recursively to arguments of functions etc.
@@ -1701,6 +2153,95 @@ ex ex::denom(void) const
                return e.op(1);
 }
 
+
+/** Default implementation of ex::to_rational(). It replaces the object with a
+ *  temporary symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex basic::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       return replace_with_symbol(*this, repl_lst);
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for symbols. This returns the
+ *  unmodified symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex symbol::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+    return *this;
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for a numeric. It splits complex
+ *  numbers into re+I*im and replaces I and non-rational real numbers with a
+ *  temporary symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex numeric::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+    if (is_real()) {
+        if (!is_rational())
+            return replace_with_symbol(*this, repl_lst);
+    } else { // complex
+        numeric re = real();
+        numeric im = imag();
+        ex re_ex = re.is_rational() ? re : replace_with_symbol(re, repl_lst);
+        ex im_ex = im.is_rational() ? im : replace_with_symbol(im, repl_lst);
+        return re_ex + im_ex * replace_with_symbol(I, repl_lst);
+    }
+       return *this;
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for powers. It replaces non-integer
+ *  powers by temporary symbols.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex power::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       if (exponent.info(info_flags::integer))
+               return power(basis.to_rational(repl_lst), exponent);
+       else
+               return replace_with_symbol(*this, repl_lst);
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for expairseqs.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex expairseq::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+    epvector s;
+    s.reserve(seq.size());
+    for (epvector::const_iterator it=seq.begin(); it!=seq.end(); ++it) {
+        s.push_back(split_ex_to_pair(recombine_pair_to_ex(*it).to_rational(repl_lst)));
+        // s.push_back(combine_ex_with_coeff_to_pair((*it).rest.to_rational(repl_lst),
+    }
+    ex oc = overall_coeff.to_rational(repl_lst);
+    if (oc.info(info_flags::numeric))
+        return thisexpairseq(s, overall_coeff);
+    else s.push_back(combine_ex_with_coeff_to_pair(oc,_ex1()));
+    return thisexpairseq(s, default_overall_coeff());
+}
+
+
+/** Rationalization of non-rational functions.
+ *  This function converts a general expression to a rational polynomial
+ *  by replacing all non-rational subexpressions (like non-rational numbers,
+ *  non-integer powers or functions like sin(), cos() etc.) to temporary
+ *  symbols. This makes it possible to use functions like gcd() and divide()
+ *  on non-rational functions by applying to_rational() on the arguments,
+ *  calling the desired function and re-substituting the temporary symbols
+ *  in the result. To make the last step possible, all temporary symbols and
+ *  their associated expressions are collected in the list specified by the
+ *  repl_lst parameter in the form {symbol == expression}, ready to be passed
+ *  as an argument to ex::subs().
+ *
+ *  @param repl_lst collects a list of all temporary symbols and their replacements
+ *  @return rationalized expression */
+ex ex::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       return bp->to_rational(repl_lst);
+}
+
+
 #ifndef NO_NAMESPACE_GINAC
 } // namespace GiNaC
 #endif // ndef NO_NAMESPACE_GINAC