]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/cln.tex
fd71f60c6090059c8c4ae00d0ee3f2d6d720dbbc
[cln.git] / doc / cln.tex
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename cln.info
4 @settitle CLN, a Class Library for Numbers
5 @c @setchapternewpage off
6 @c For `info' only.
7 @paragraphindent 0
8 @c For TeX only.
9 @iftex
10 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
11 @parindent=0pt
12 @end iftex
13 @c %**end of header
14
15 @direntry
16 * CLN: (cln).                       Class Library for Numbers (C++).
17 @end direntry
18
19 @c My own index.
20 @defindex my
21 @c Don't need the other types of indices.
22 @synindex cp my
23 @synindex fn my
24 @synindex vr my
25 @synindex ky my
26 @synindex pg my
27 @synindex tp my
28
29
30 @c For `info' only.
31 @ifinfo
32 This file documents @sc{cln}, a Class Library for Numbers.
33
34 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
35 Richard B. Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
36
37 Copyright (C)  Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005.
38 Copyright (C)  Richard B. Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005.
39
40 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
41 this manual provided the copyright notice and this permission notice
42 are preserved on all copies.
43
44 @ignore
45 Permission is granted to process this file through TeX and print the
46 results, provided the printed document carries copying permission
47 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
48 (this paragraph not being relevant to the printed manual).
49
50 @end ignore
51 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
52 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
53 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
54 notice identical to this one.
55
56 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
57 into another language, under the above conditions for modified versions,
58 except that this permission notice may be stated in a translation approved
59 by the author.
60 @end ifinfo
61
62
63 @c For TeX only.
64 @c prevent ugly black rectangles on overfull hbox lines:
65 @finalout
66 @titlepage
67 @title CLN, a Class Library for Numbers
68
69 @author by Bruno Haible
70 @page
71 @vskip 0pt plus 1filll
72 Copyright @copyright{} Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005.
73 @sp 0
74 Copyright @copyright{} Richard Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005.
75
76 @sp 2
77 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
78 Richard Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
79
80 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
81 this manual provided the copyright notice and this permission notice
82 are preserved on all copies.
83
84 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
85 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
86 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
87 notice identical to this one.
88
89 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
90 into another language, under the above conditions for modified versions,
91 except that this permission notice may be stated in a translation approved
92 by the author.
93
94 @end titlepage
95 @page
96
97
98 @c Table of contents
99 @contents
100
101
102 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
103
104 @c @menu
105 @c * Introduction::                Introduction
106 @c @end menu
107
108
109 @node Introduction, Top, Top, Top
110 @comment node-name, next, previous, up
111 @chapter Introduction
112
113 @noindent
114 CLN is a library for computations with all kinds of numbers.
115 It has a rich set of number classes:
116
117 @itemize @bullet
118 @item
119 Integers (with unlimited precision),
120
121 @item
122 Rational numbers,
123
124 @item
125 Floating-point numbers:
126
127 @itemize @minus
128 @item
129 Short float,
130 @item
131 Single float,
132 @item
133 Double float,
134 @item
135 Long float (with unlimited precision),
136 @end itemize
137
138 @item
139 Complex numbers,
140
141 @item
142 Modular integers (integers modulo a fixed integer),
143
144 @item
145 Univariate polynomials.
146 @end itemize
147
148 @noindent
149 The subtypes of the complex numbers among these are exactly the
150 types of numbers known to the Common Lisp language. Therefore
151 @code{CLN} can be used for Common Lisp implementations, giving
152 @samp{CLN} another meaning: it becomes an abbreviation of
153 ``Common Lisp Numbers''.
154
155 @noindent
156 The CLN package implements
157
158 @itemize @bullet
159 @item
160 Elementary functions (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt},
161 comparisons, @dots{}),
162
163 @item
164 Logical functions (logical @code{and}, @code{or}, @code{not}, @dots{}),
165
166 @item
167 Transcendental functions (exponential, logarithmic, trigonometric, hyperbolic
168 functions and their inverse functions).
169 @end itemize
170
171 @noindent
172 CLN is a C++ library. Using C++ as an implementation language provides
173
174 @itemize @bullet
175 @item
176 efficiency: it compiles to machine code,
177 @item
178 type safety: the C++ compiler knows about the number types and complains
179 if, for example, you try to assign a float to an integer variable.
180 @item
181 algebraic syntax: You can use the @code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{=},
182 @code{==}, @dots{} operators as in C or C++.
183 @end itemize
184
185 @noindent
186 CLN is memory efficient:
187
188 @itemize @bullet
189 @item
190 Small integers and short floats are immediate, not heap allocated.
191 @item
192 Heap-allocated memory is reclaimed through an automatic, non-interruptive
193 garbage collection.
194 @end itemize
195
196 @noindent
197 CLN is speed efficient:
198
199 @itemize @bullet
200 @item
201 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
202 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
203 @item
204 @cindex GMP
205 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
206 routines from GNU GMP version 3.
207 @item
208 It uses Karatsuba multiplication, which is significantly faster
209 for large numbers than the standard multiplication algorithm.
210 @item
211 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), it uses
212 @iftex
213 Sch{@"o}nhage-Strassen
214 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
215 @end iftex
216 @ifinfo
217 Schnhage-Strassen
218 @cindex Schnhage-Strassen multiplication
219 @end ifinfo
220 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication
221 algorithm, for multiplication, division and radix conversion.
222 @end itemize
223
224 @noindent
225 CLN aims at being easily integrated into larger software packages:
226
227 @itemize @bullet
228 @item
229 The garbage collection imposes no burden on the main application.
230 @item
231 The library provides hooks for memory allocation and exceptions.
232 @item
233 @cindex namespace
234 All non-macro identifiers are hidden in namespace @code{cln} in 
235 order to avoid name clashes.
236 @end itemize
237
238
239 @chapter Installation
240
241 This section describes how to install the CLN package on your system.
242
243
244 @section Prerequisites
245
246 @subsection C++ compiler
247
248 To build CLN, you need a C++ compiler.
249 Actually, you need GNU @code{g++ 2.95} or newer.
250
251 The following C++ features are used:
252 classes, member functions, overloading of functions and operators,
253 constructors and destructors, inline, const, multiple inheritance,
254 templates and namespaces.
255
256 The following C++ features are not used:
257 @code{new}, @code{delete}, virtual inheritance, exceptions.
258
259 CLN relies on semi-automatic ordering of initializations of static and
260 global variables, a feature which I could implement for GNU g++
261 only. Also, it is not known whether this semi-automatic ordering works
262 on all platforms when a non-GNU assembler is being used.
263
264 @subsection Make utility
265 @cindex @code{make}
266
267 To build CLN, you also need to have GNU @code{make} installed.
268
269 Only GNU @code{make} 3.77 is unusable for CLN; other versions work fine.
270
271 @subsection Sed utility
272 @cindex @code{sed}
273
274 To build CLN on HP-UX, you also need to have GNU @code{sed} installed.
275 This is because the libtool script, which creates the CLN library, relies
276 on @code{sed}, and the vendor's @code{sed} utility on these systems is too
277 limited.
278
279
280 @section Building the library
281
282 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
283
284 @example
285 $ ./configure
286 $ make
287 $ make check
288 @end example
289
290 If on your system, @samp{make} is not GNU @code{make}, you have to use
291 @samp{gmake} instead of @samp{make} above.
292
293 The @code{configure} command checks out some features of your system and
294 C++ compiler and builds the @code{Makefile}s. The @code{make} command
295 builds the library. This step may take about an hour on an average workstation.
296 The @code{make check} runs some test to check that no important subroutine
297 has been miscompiled.
298
299 The @code{configure} command accepts options. To get a summary of them, try
300
301 @example
302 $ ./configure --help
303 @end example
304
305 Some of the options are explained in detail in the @samp{INSTALL.generic} file.
306
307 You can specify the C compiler, the C++ compiler and their options through
308 the following environment variables when running @code{configure}:
309
310 @table @code
311 @item CC
312 Specifies the C compiler.
313
314 @item CFLAGS
315 Flags to be given to the C compiler when compiling programs (not when linking).
316
317 @item CXX
318 Specifies the C++ compiler.
319
320 @item CXXFLAGS
321 Flags to be given to the C++ compiler when compiling programs (not when linking).
322 @end table
323
324 Examples:
325
326 @example
327 $ CC="gcc" CFLAGS="-O" CXX="g++" CXXFLAGS="-O" ./configure
328 $ CC="gcc -V egcs-2.91.60" CFLAGS="-O -g" \
329   CXX="g++ -V egcs-2.91.60" CXXFLAGS="-O -g" ./configure
330 $ CC="gcc -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
331   CXX="g++ -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" ./configure
332 $ CC="gcc -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
333   CXX="g++ -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
334   ./configure
335 @end example
336
337 Note that for these environment variables to take effect, you have to set
338 them (assuming a Bourne-compatible shell) on the same line as the
339 @code{configure} command. If you made the settings in earlier shell
340 commands, you have to @code{export} the environment variables before
341 calling @code{configure}. In a @code{csh} shell, you have to use the
342 @samp{setenv} command for setting each of the environment variables.
343
344 Currently CLN works only with the GNU @code{g++} compiler, and only in
345 optimizing mode. So you should specify at least @code{-O} in the CXXFLAGS,
346 or no CXXFLAGS at all. (If CXXFLAGS is not set, CLN will use @code{-O}.)
347
348 If you use @code{g++} 3.x, I recommend adding @samp{-finline-limit=1000}
349 to the CXXFLAGS. This is essential for good code.
350
351 If you use @code{g++} gcc-2.95.x or gcc-3.x , I recommend adding
352 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS. This will likely generate better code.
353
354 If you use @code{g++} from gcc-3.0.4 or older on Sparc, add either
355 @samp{-O}, @samp{-O1} or @samp{-O2 -fno-schedule-insns} to the
356 CXXFLAGS. With full @samp{-O2}, @code{g++} miscompiles the division
357 routines. If you use @code{g++} older than 2.95.3 on Sparc you should
358 also specify @samp{--disable-shared} because of bad code produced in the
359 shared library. Also, do not use gcc-3.0 on Sparc for compiling CLN, it
360 won't work at all.
361
362 If you use @code{g++} on OSF/1 or Tru64 using gcc-2.95.x, you should
363 specify @samp{--disable-shared} because of linker problems with
364 duplicate symbols in shared libraries.  If you use @code{g++} from
365 gcc-3.0.n, with n larger than 1, you should @emph{not} add
366 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS, since that will generate wrong
367 code (gcc-3.1 is okay again, as is gcc-3.0).
368
369 Also, please do not compile CLN with @code{g++} using the @code{-O3}
370 optimization level.  This leads to inferior code quality.
371
372 If you use @code{g++} from gcc-3.1, it will need 235 MB of virtual memory.
373 You might need some swap space if your machine doesn't have 512 MB of RAM.
374
375 By default, both a shared and a static library are built.  You can build
376 CLN as a static (or shared) library only, by calling @code{configure} with
377 the option @samp{--disable-shared} (or @samp{--disable-static}).  While
378 shared libraries are usually more convenient to use, they may not work
379 on all architectures.  Try disabling them if you run into linker
380 problems.  Also, they are generally somewhat slower than static
381 libraries so runtime-critical applications should be linked statically.
382
383 If you use @code{g++} from gcc-3.1 with option @samp{-g}, you will need
384 some disk space: 335 MB for building as both a shared and a static library,
385 or 130 MB when building as a shared library only.
386
387
388 @subsection Using the GNU MP Library
389 @cindex GMP
390
391 Starting with version 1.1, CLN may be configured to make use of a
392 preinstalled @code{gmp} library.  Please make sure that you have at
393 least @code{gmp} version 3.0 installed since earlier versions are
394 unsupported and likely not to work.  Enabling this feature by calling
395 @code{configure} with the option @samp{--with-gmp} is known to be quite
396 a boost for CLN's performance.
397
398 If you have installed the @code{gmp} library and its header file in
399 some place where your compiler cannot find it by default, you must help
400 @code{configure} by setting @code{CPPFLAGS} and @code{LDFLAGS}.  Here is
401 an example:
402
403 @example
404 $ CC="gcc" CFLAGS="-O2" CXX="g++" CXXFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
405   CPPFLAGS="-I/opt/gmp/include" LDFLAGS="-L/opt/gmp/lib" ./configure --with-gmp
406 @end example
407
408
409 @section Installing the library
410 @cindex installation
411
412 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
413
414 @example
415 $ make install
416 @end example
417
418 The @samp{make install} command installs the library and the include files
419 into public places (@file{/usr/local/lib/} and @file{/usr/local/include/},
420 if you haven't specified a @code{--prefix} option to @code{configure}).
421 This step may require superuser privileges.
422
423 If you have already built the library and wish to install it, but didn't
424 specify @code{--prefix=@dots{}} at configure time, just re-run
425 @code{configure}, giving it the same options as the first time, plus
426 the @code{--prefix=@dots{}} option.
427
428
429 @section Cleaning up
430
431 You can remove system-dependent files generated by @code{make} through
432
433 @example
434 $ make clean
435 @end example
436
437 You can remove all files generated by @code{make}, thus reverting to a
438 virgin distribution of CLN, through
439
440 @example
441 $ make distclean
442 @end example
443
444
445 @chapter Ordinary number types
446
447 CLN implements the following class hierarchy:
448
449 @example
450                         Number
451                       cl_number
452                     <cln/number.h>
453                           |
454                           |
455                  Real or complex number
456                         cl_N
457                     <cln/complex.h>
458                           |
459                           |
460                      Real number
461                         cl_R
462                      <cln/real.h>
463                           |
464       +-------------------+-------------------+
465       |                                       |
466 Rational number                     Floating-point number
467     cl_RA                                   cl_F
468 <cln/rational.h>                         <cln/float.h>
469       |                                       |
470       |                +--------------+--------------+--------------+
471    Integer             |              |              |              |
472     cl_I          Short-Float    Single-Float   Double-Float    Long-Float
473 <cln/integer.h>      cl_SF          cl_FF          cl_DF          cl_LF
474                  <cln/sfloat.h> <cln/ffloat.h> <cln/dfloat.h> <cln/lfloat.h>
475 @end example
476
477 @cindex @code{cl_number}
478 @cindex abstract class
479 The base class @code{cl_number} is an abstract base class.
480 It is not useful to declare a variable of this type except if you want
481 to completely disable compile-time type checking and use run-time type
482 checking instead.
483
484 @cindex @code{cl_N}
485 @cindex real number
486 @cindex complex number
487 The class @code{cl_N} comprises real and complex numbers. There is
488 no special class for complex numbers since complex numbers with imaginary
489 part @code{0} are automatically converted to real numbers.
490
491 @cindex @code{cl_R}
492 The class @code{cl_R} comprises real numbers of different kinds. It is an
493 abstract class.
494
495 @cindex @code{cl_RA}
496 @cindex rational number
497 @cindex integer
498 The class @code{cl_RA} comprises exact real numbers: rational numbers, including
499 integers. There is no special class for non-integral rational numbers
500 since rational numbers with denominator @code{1} are automatically converted
501 to integers.
502
503 @cindex @code{cl_F}
504 The class @code{cl_F} implements floating-point approximations to real numbers.
505 It is an abstract class.
506
507
508 @section Exact numbers
509 @cindex exact number
510
511 Some numbers are represented as exact numbers: there is no loss of information
512 when such a number is converted from its mathematical value to its internal
513 representation. On exact numbers, the elementary operations (@code{+},
514 @code{-}, @code{*}, @code{/}, comparisons, @dots{}) compute the completely
515 correct result.
516
517 In CLN, the exact numbers are:
518
519 @itemize @bullet
520 @item
521 rational numbers (including integers),
522 @item
523 complex numbers whose real and imaginary parts are both rational numbers.
524 @end itemize
525
526 Rational numbers are always normalized to the form
527 @code{@var{numerator}/@var{denominator}} where the numerator and denominator
528 are coprime integers and the denominator is positive. If the resulting
529 denominator is @code{1}, the rational number is converted to an integer.
530
531 @cindex immediate numbers
532 Small integers (typically in the range @code{-2^29}@dots{}@code{2^29-1},
533 for 32-bit machines) are especially efficient, because they consume no heap
534 allocation. Otherwise the distinction between these immediate integers
535 (called ``fixnums'') and heap allocated integers (called ``bignums'')
536 is completely transparent.
537
538
539 @section Floating-point numbers
540 @cindex floating-point number
541
542 Not all real numbers can be represented exactly. (There is an easy mathematical
543 proof for this: Only a countable set of numbers can be stored exactly in
544 a computer, even if one assumes that it has unlimited storage. But there
545 are uncountably many real numbers.) So some approximation is needed.
546 CLN implements ordinary floating-point numbers, with mantissa and exponent.
547
548 @cindex rounding error
549 The elementary operations (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @dots{})
550 only return approximate results. For example, the value of the expression
551 @code{(cl_F) 0.3 + (cl_F) 0.4} prints as @samp{0.70000005}, not as
552 @samp{0.7}. Rounding errors like this one are inevitable when computing
553 with floating-point numbers.
554
555 Nevertheless, CLN rounds the floating-point results of the operations @code{+},
556 @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt} according to the ``round-to-even''
557 rule: It first computes the exact mathematical result and then returns the
558 floating-point number which is nearest to this. If two floating-point numbers
559 are equally distant from the ideal result, the one with a @code{0} in its least
560 significant mantissa bit is chosen.
561
562 Similarly, testing floating point numbers for equality @samp{x == y}
563 is gambling with random errors. Better check for @samp{abs(x - y) < epsilon}
564 for some well-chosen @code{epsilon}.
565
566 Floating point numbers come in four flavors:
567
568 @itemize @bullet
569 @item
570 @cindex @code{cl_SF}
571 Short floats, type @code{cl_SF}.
572 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
573 and 17 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
574 They don't consume heap allocation.
575
576 @item
577 @cindex @code{cl_FF}
578 Single floats, type @code{cl_FF}.
579 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
580 and 24 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
581 In CLN, they are represented as IEEE single-precision floating point numbers.
582 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{float}.
583
584 @item
585 @cindex @code{cl_DF}
586 Double floats, type @code{cl_DF}.
587 They have 1 sign bit, 11 exponent bits (including the exponent's sign),
588 and 53 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
589 In CLN, they are represented as IEEE double-precision floating point numbers.
590 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{double}.
591
592 @item
593 @cindex @code{cl_LF}
594 Long floats, type @code{cl_LF}.
595 They have 1 sign bit, 32 exponent bits (including the exponent's sign),
596 and n mantissa bits (including the ``hidden'' bit), where n >= 64.
597 The precision of a long float is unlimited, but once created, a long float
598 has a fixed precision. (No ``lazy recomputation''.)
599 @end itemize
600
601 Of course, computations with long floats are more expensive than those
602 with smaller floating-point formats.
603
604 CLN does not implement features like NaNs, denormalized numbers and
605 gradual underflow. If the exponent range of some floating-point type
606 is too limited for your application, choose another floating-point type
607 with larger exponent range.
608
609 @cindex @code{cl_F}
610 As a user of CLN, you can forget about the differences between the
611 four floating-point types and just declare all your floating-point
612 variables as being of type @code{cl_F}. This has the advantage that
613 when you change the precision of some computation (say, from @code{cl_DF}
614 to @code{cl_LF}), you don't have to change the code, only the precision
615 of the initial values. Also, many transcendental functions have been
616 declared as returning a @code{cl_F} when the argument is a @code{cl_F},
617 but such declarations are missing for the types @code{cl_SF}, @code{cl_FF},
618 @code{cl_DF}, @code{cl_LF}. (Such declarations would be wrong if
619 the floating point contagion rule happened to change in the future.)
620
621
622 @section Complex numbers
623 @cindex complex number
624
625 Complex numbers, as implemented by the class @code{cl_N}, have a real
626 part and an imaginary part, both real numbers. A complex number whose
627 imaginary part is the exact number @code{0} is automatically converted
628 to a real number.
629
630 Complex numbers can arise from real numbers alone, for example
631 through application of @code{sqrt} or transcendental functions.
632
633
634 @section Conversions
635 @cindex conversion
636
637 Conversions from any class to any its superclasses (``base classes'' in
638 C++ terminology) is done automatically.
639
640 Conversions from the C built-in types @samp{long} and @samp{unsigned long}
641 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
642 @code{cl_N} and @code{cl_number}.
643
644 Conversions from the C built-in types @samp{int} and @samp{unsigned int}
645 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
646 @code{cl_N} and @code{cl_number}. However, these conversions emphasize
647 efficiency. Their range is therefore limited:
648
649 @itemize @minus
650 @item
651 The conversion from @samp{int} works only if the argument is < 2^29 and > -2^29.
652 @item
653 The conversion from @samp{unsigned int} works only if the argument is < 2^29.
654 @end itemize
655
656 In a declaration like @samp{cl_I x = 10;} the C++ compiler is able to
657 do the conversion of @code{10} from @samp{int} to @samp{cl_I} at compile time
658 already. On the other hand, code like @samp{cl_I x = 1000000000;} is
659 in error.
660 So, if you want to be sure that an @samp{int} whose magnitude is not guaranteed
661 to be < 2^29 is correctly converted to a @samp{cl_I}, first convert it to a
662 @samp{long}. Similarly, if a large @samp{unsigned int} is to be converted to a
663 @samp{cl_I}, first convert it to an @samp{unsigned long}.
664
665 Conversions from the C built-in type @samp{float} are provided for the classes
666 @code{cl_FF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
667
668 Conversions from the C built-in type @samp{double} are provided for the classes
669 @code{cl_DF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
670
671 Conversions from @samp{const char *} are provided for the classes
672 @code{cl_I}, @code{cl_RA},
673 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F},
674 @code{cl_R}, @code{cl_N}.
675 The easiest way to specify a value which is outside of the range of the
676 C++ built-in types is therefore to specify it as a string, like this:
677 @cindex Rubik's cube
678 @example
679    cl_I order_of_rubiks_cube_group = "43252003274489856000";
680 @end example
681 Note that this conversion is done at runtime, not at compile-time.
682
683 Conversions from @code{cl_I} to the C built-in types @samp{int},
684 @samp{unsigned int}, @samp{long}, @samp{unsigned long} are provided through
685 the functions
686
687 @table @code
688 @item int cl_I_to_int (const cl_I& x)
689 @cindex @code{cl_I_to_int ()}
690 @itemx unsigned int cl_I_to_uint (const cl_I& x)
691 @cindex @code{cl_I_to_uint ()}
692 @itemx long cl_I_to_long (const cl_I& x)
693 @cindex @code{cl_I_to_long ()}
694 @itemx unsigned long cl_I_to_ulong (const cl_I& x)
695 @cindex @code{cl_I_to_ulong ()}
696 Returns @code{x} as element of the C type @var{ctype}. If @code{x} is not
697 representable in the range of @var{ctype}, a runtime error occurs.
698 @end table
699
700 Conversions from the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA},
701 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F} and
702 @code{cl_R}
703 to the C built-in types @samp{float} and @samp{double} are provided through
704 the functions
705
706 @table @code
707 @item float float_approx (const @var{type}& x)
708 @cindex @code{float_approx ()}
709 @itemx double double_approx (const @var{type}& x)
710 @cindex @code{double_approx ()}
711 Returns an approximation of @code{x} of C type @var{ctype}.
712 If @code{abs(x)} is too close to 0 (underflow), 0 is returned.
713 If @code{abs(x)} is too large (overflow), an IEEE infinity is returned.
714 @end table
715
716 Conversions from any class to any of its subclasses (``derived classes'' in
717 C++ terminology) are not provided. Instead, you can assert and check
718 that a value belongs to a certain subclass, and return it as element of that
719 class, using the @samp{As} and @samp{The} macros.
720 @cindex cast
721 @cindex @code{As()()}
722 @code{As(@var{type})(@var{value})} checks that @var{value} belongs to
723 @var{type} and returns it as such.
724 @cindex @code{The()()}
725 @code{The(@var{type})(@var{value})} assumes that @var{value} belongs to
726 @var{type} and returns it as such. It is your responsibility to ensure
727 that this assumption is valid.  Since macros and namespaces don't go
728 together well, there is an equivalent to @samp{The}: the template
729 @samp{the}.
730
731 Example:
732
733 @example
734 @group
735    cl_I x = @dots{};
736    if (!(x >= 0)) abort();
737    cl_I ten_x_a = The(cl_I)(expt(10,x)); // If x >= 0, 10^x is an integer.
738                 // In general, it would be a rational number.
739    cl_I ten_x_b = the<cl_I>(expt(10,x)); // The same as above.
740 @end group
741 @end example
742
743
744 @chapter Functions on numbers
745
746 Each of the number classes declares its mathematical operations in the
747 corresponding include file. For example, if your code operates with
748 objects of type @code{cl_I}, it should @code{#include <cln/integer.h>}.
749
750
751 @section Constructing numbers
752
753 Here is how to create number objects ``from nothing''.
754
755
756 @subsection Constructing integers
757
758 @code{cl_I} objects are most easily constructed from C integers and from
759 strings. See @ref{Conversions}.
760
761
762 @subsection Constructing rational numbers
763
764 @code{cl_RA} objects can be constructed from strings. The syntax
765 for rational numbers is described in @ref{Internal and printed representation}.
766 Another standard way to produce a rational number is through application
767 of @samp{operator /} or @samp{recip} on integers.
768
769
770 @subsection Constructing floating-point numbers
771
772 @code{cl_F} objects with low precision are most easily constructed from
773 C @samp{float} and @samp{double}. See @ref{Conversions}.
774
775 To construct a @code{cl_F} with high precision, you can use the conversion
776 from @samp{const char *}, but you have to specify the desired precision
777 within the string. (See @ref{Internal and printed representation}.)
778 Example:
779 @example
780    cl_F e = "0.271828182845904523536028747135266249775724709369996e+1_40";
781 @end example
782 will set @samp{e} to the given value, with a precision of 40 decimal digits.
783
784 The programmatic way to construct a @code{cl_F} with high precision is
785 through the @code{cl_float} conversion function, see
786 @ref{Conversion to floating-point numbers}. For example, to compute
787 @code{e} to 40 decimal places, first construct 1.0 to 40 decimal places
788 and then apply the exponential function:
789 @example
790    float_format_t precision = float_format(40);
791    cl_F e = exp(cl_float(1,precision));
792 @end example
793
794
795 @subsection Constructing complex numbers
796
797 Non-real @code{cl_N} objects are normally constructed through the function
798 @example
799    cl_N complex (const cl_R& realpart, const cl_R& imagpart)
800 @end example
801 See @ref{Elementary complex functions}.
802
803
804 @section Elementary functions
805
806 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
807 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
808 defines the following operations:
809
810 @table @code
811 @item @var{type} operator + (const @var{type}&, const @var{type}&)
812 @cindex @code{operator + ()}
813 Addition.
814
815 @item @var{type} operator - (const @var{type}&, const @var{type}&)
816 @cindex @code{operator - ()}
817 Subtraction.
818
819 @item @var{type} operator - (const @var{type}&)
820 Returns the negative of the argument.
821
822 @item @var{type} plus1 (const @var{type}& x)
823 @cindex @code{plus1 ()}
824 Returns @code{x + 1}.
825
826 @item @var{type} minus1 (const @var{type}& x)
827 @cindex @code{minus1 ()}
828 Returns @code{x - 1}.
829
830 @item @var{type} operator * (const @var{type}&, const @var{type}&)
831 @cindex @code{operator * ()}
832 Multiplication.
833
834 @item @var{type} square (const @var{type}& x)
835 @cindex @code{square ()}
836 Returns @code{x * x}.
837 @end table
838
839 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
840 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
841 defines the following operations:
842
843 @table @code
844 @item @var{type} operator / (const @var{type}&, const @var{type}&)
845 @cindex @code{operator / ()}
846 Division.
847
848 @item @var{type} recip (const @var{type}&)
849 @cindex @code{recip ()}
850 Returns the reciprocal of the argument.
851 @end table
852
853 The class @code{cl_I} doesn't define a @samp{/} operation because
854 in the C/C++ language this operator, applied to integral types,
855 denotes the @samp{floor} or @samp{truncate} operation (which one of these,
856 is implementation dependent). (@xref{Rounding functions}.)
857 Instead, @code{cl_I} defines an ``exact quotient'' function:
858
859 @table @code
860 @item cl_I exquo (const cl_I& x, const cl_I& y)
861 @cindex @code{exquo ()}
862 Checks that @code{y} divides @code{x}, and returns the quotient @code{x}/@code{y}.
863 @end table
864
865 The following exponentiation functions are defined:
866
867 @table @code
868 @item cl_I expt_pos (const cl_I& x, const cl_I& y)
869 @cindex @code{expt_pos ()}
870 @itemx cl_RA expt_pos (const cl_RA& x, const cl_I& y)
871 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
872
873 @item cl_RA expt (const cl_RA& x, const cl_I& y)
874 @cindex @code{expt ()}
875 @itemx cl_R expt (const cl_R& x, const cl_I& y)
876 @itemx cl_N expt (const cl_N& x, const cl_I& y)
877 Returns @code{x^y}.
878 @end table
879
880 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
881 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
882 defines the following operation:
883
884 @table @code
885 @item @var{type} abs (const @var{type}& x)
886 @cindex @code{abs ()}
887 Returns the absolute value of @code{x}.
888 This is @code{x} if @code{x >= 0}, and @code{-x} if @code{x <= 0}.
889 @end table
890
891 The class @code{cl_N} implements this as follows:
892
893 @table @code
894 @item cl_R abs (const cl_N x)
895 Returns the absolute value of @code{x}.
896 @end table
897
898 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
899 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
900 defines the following operation:
901
902 @table @code
903 @item @var{type} signum (const @var{type}& x)
904 @cindex @code{signum ()}
905 Returns the sign of @code{x}, in the same number format as @code{x}.
906 This is defined as @code{x / abs(x)} if @code{x} is non-zero, and
907 @code{x} if @code{x} is zero. If @code{x} is real, the value is either
908 0 or 1 or -1.
909 @end table
910
911
912 @section Elementary rational functions
913
914 Each of the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} defines the following operations:
915
916 @table @code
917 @item cl_I numerator (const @var{type}& x)
918 @cindex @code{numerator ()}
919 Returns the numerator of @code{x}.
920
921 @item cl_I denominator (const @var{type}& x)
922 @cindex @code{denominator ()}
923 Returns the denominator of @code{x}.
924 @end table
925
926 The numerator and denominator of a rational number are normalized in such
927 a way that they have no factor in common and the denominator is positive.
928
929
930 @section Elementary complex functions
931
932 The class @code{cl_N} defines the following operation:
933
934 @table @code
935 @item cl_N complex (const cl_R& a, const cl_R& b)
936 @cindex @code{complex ()}
937 Returns the complex number @code{a+bi}, that is, the complex number with
938 real part @code{a} and imaginary part @code{b}.
939 @end table
940
941 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R} defines the following operations:
942
943 @table @code
944 @item cl_R realpart (const @var{type}& x)
945 @cindex @code{realpart ()}
946 Returns the real part of @code{x}.
947
948 @item cl_R imagpart (const @var{type}& x)
949 @cindex @code{imagpart ()}
950 Returns the imaginary part of @code{x}.
951
952 @item @var{type} conjugate (const @var{type}& x)
953 @cindex @code{conjugate ()}
954 Returns the complex conjugate of @code{x}.
955 @end table
956
957 We have the relations
958
959 @itemize @asis
960 @item
961 @code{x = complex(realpart(x), imagpart(x))}
962 @item
963 @code{conjugate(x) = complex(realpart(x), -imagpart(x))}
964 @end itemize
965
966
967 @section Comparisons
968 @cindex comparison
969
970 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
971 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
972 defines the following operations:
973
974 @table @code
975 @item bool operator == (const @var{type}&, const @var{type}&)
976 @cindex @code{operator == ()}
977 @itemx bool operator != (const @var{type}&, const @var{type}&)
978 @cindex @code{operator != ()}
979 Comparison, as in C and C++.
980
981 @item uint32 equal_hashcode (const @var{type}&)
982 @cindex @code{equal_hashcode ()}
983 Returns a 32-bit hash code that is the same for any two numbers which are
984 the same according to @code{==}. This hash code depends on the number's value,
985 not its type or precision.
986
987 @item cl_boolean zerop (const @var{type}& x)
988 @cindex @code{zerop ()}
989 Compare against zero: @code{x == 0}
990 @end table
991
992 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
993 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
994 defines the following operations:
995
996 @table @code
997 @item cl_signean compare (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
998 @cindex @code{compare ()}
999 Compares @code{x} and @code{y}. Returns +1 if @code{x}>@code{y},
1000 -1 if @code{x}<@code{y}, 0 if @code{x}=@code{y}.
1001
1002 @item bool operator <= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1003 @cindex @code{operator <= ()}
1004 @itemx bool operator < (const @var{type}&, const @var{type}&)
1005 @cindex @code{operator < ()}
1006 @itemx bool operator >= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1007 @cindex @code{operator >= ()}
1008 @itemx bool operator > (const @var{type}&, const @var{type}&)
1009 @cindex @code{operator > ()}
1010 Comparison, as in C and C++.
1011
1012 @item cl_boolean minusp (const @var{type}& x)
1013 @cindex @code{minusp ()}
1014 Compare against zero: @code{x < 0}
1015
1016 @item cl_boolean plusp (const @var{type}& x)
1017 @cindex @code{plusp ()}
1018 Compare against zero: @code{x > 0}
1019
1020 @item @var{type} max (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1021 @cindex @code{max ()}
1022 Return the maximum of @code{x} and @code{y}.
1023
1024 @item @var{type} min (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1025 @cindex @code{min ()}
1026 Return the minimum of @code{x} and @code{y}.
1027 @end table
1028
1029 When a floating point number and a rational number are compared, the float
1030 is first converted to a rational number using the function @code{rational}.
1031 Since a floating point number actually represents an interval of real numbers,
1032 the result might be surprising.
1033 For example, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3" == (cl_R)"1/3"} returns false because
1034 there is no floating point number whose value is exactly @code{1/3}.
1035
1036
1037 @section Rounding functions
1038 @cindex rounding
1039
1040 When a real number is to be converted to an integer, there is no ``best''
1041 rounding. The desired rounding function depends on the application.
1042 The Common Lisp and ISO Lisp standards offer four rounding functions:
1043
1044 @table @code
1045 @item floor(x)
1046 This is the largest integer <=@code{x}.
1047
1048 @item ceiling(x)
1049 This is the smallest integer >=@code{x}.
1050
1051 @item truncate(x)
1052 Among the integers between 0 and @code{x} (inclusive) the one nearest to @code{x}.
1053
1054 @item round(x)
1055 The integer nearest to @code{x}. If @code{x} is exactly halfway between two
1056 integers, choose the even one.
1057 @end table
1058
1059 These functions have different advantages:
1060
1061 @code{floor} and @code{ceiling} are translation invariant:
1062 @code{floor(x+n) = floor(x) + n} and @code{ceiling(x+n) = ceiling(x) + n}
1063 for every @code{x} and every integer @code{n}.
1064
1065 On the other hand, @code{truncate} and @code{round} are symmetric:
1066 @code{truncate(-x) = -truncate(x)} and @code{round(-x) = -round(x)},
1067 and furthermore @code{round} is unbiased: on the ``average'', it rounds
1068 down exactly as often as it rounds up.
1069
1070 The functions are related like this:
1071
1072 @itemize @asis
1073 @item
1074 @code{ceiling(m/n) = floor((m+n-1)/n) = floor((m-1)/n)+1}
1075 for rational numbers @code{m/n} (@code{m}, @code{n} integers, @code{n}>0), and
1076 @item
1077 @code{truncate(x) = sign(x) * floor(abs(x))}
1078 @end itemize
1079
1080 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1081 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1082 defines the following operations:
1083
1084 @table @code
1085 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x)
1086 @cindex @code{floor1 ()}
1087 Returns @code{floor(x)}.
1088 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x)
1089 @cindex @code{ceiling1 ()}
1090 Returns @code{ceiling(x)}.
1091 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x)
1092 @cindex @code{truncate1 ()}
1093 Returns @code{truncate(x)}.
1094 @item cl_I round1 (const @var{type}& x)
1095 @cindex @code{round1 ()}
1096 Returns @code{round(x)}.
1097 @end table
1098
1099 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1100 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1101 defines the following operations:
1102
1103 @table @code
1104 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1105 Returns @code{floor(x/y)}.
1106 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1107 Returns @code{ceiling(x/y)}.
1108 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1109 Returns @code{truncate(x/y)}.
1110 @item cl_I round1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1111 Returns @code{round(x/y)}.
1112 @end table
1113
1114 These functions are called @samp{floor1}, @dots{} here instead of
1115 @samp{floor}, @dots{}, because on some systems, system dependent include
1116 files define @samp{floor} and @samp{ceiling} as macros.
1117
1118 In many cases, one needs both the quotient and the remainder of a division.
1119 It is more efficient to compute both at the same time than to perform
1120 two divisions, one for quotient and the next one for the remainder.
1121 The following functions therefore return a structure containing both
1122 the quotient and the remainder. The suffix @samp{2} indicates the number
1123 of ``return values''. The remainder is defined as follows:
1124
1125 @itemize @bullet
1126 @item
1127 for the computation of @code{quotient = floor(x)},
1128 @code{remainder = x - quotient},
1129 @item
1130 for the computation of @code{quotient = floor(x,y)},
1131 @code{remainder = x - quotient*y},
1132 @end itemize
1133
1134 and similarly for the other three operations.
1135
1136 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1137 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1138 defines the following operations:
1139
1140 @table @code
1141 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1142 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x)
1143 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x)
1144 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x)
1145 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x)
1146 @end table
1147
1148 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1149 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1150 defines the following operations:
1151
1152 @table @code
1153 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1154 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1155 @cindex @code{floor2 ()}
1156 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1157 @cindex @code{ceiling2 ()}
1158 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1159 @cindex @code{truncate2 ()}
1160 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1161 @cindex @code{round2 ()}
1162 @end table
1163
1164 Sometimes, one wants the quotient as a floating-point number (of the
1165 same format as the argument, if the argument is a float) instead of as
1166 an integer. The prefix @samp{f} indicates this.
1167
1168 Each of the classes
1169 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1170 defines the following operations:
1171
1172 @table @code
1173 @item @var{type} ffloor (const @var{type}& x)
1174 @cindex @code{ffloor ()}
1175 @itemx @var{type} fceiling (const @var{type}& x)
1176 @cindex @code{fceiling ()}
1177 @itemx @var{type} ftruncate (const @var{type}& x)
1178 @cindex @code{ftruncate ()}
1179 @itemx @var{type} fround (const @var{type}& x)
1180 @cindex @code{fround ()}
1181 @end table
1182
1183 and similarly for class @code{cl_R}, but with return type @code{cl_F}.
1184
1185 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1186
1187 @table @code
1188 @item cl_F ffloor (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1189 @itemx cl_F fceiling (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1190 @itemx cl_F ftruncate (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1191 @itemx cl_F fround (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1192 @end table
1193
1194 These functions also exist in versions which return both the quotient
1195 and the remainder. The suffix @samp{2} indicates this.
1196
1197 Each of the classes
1198 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1199 defines the following operations:
1200 @cindex @code{cl_F_fdiv_t}
1201 @cindex @code{cl_SF_fdiv_t}
1202 @cindex @code{cl_FF_fdiv_t}
1203 @cindex @code{cl_DF_fdiv_t}
1204 @cindex @code{cl_LF_fdiv_t}
1205
1206 @table @code
1207 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ @var{type} quotient; @var{type} remainder; @};
1208 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x)
1209 @cindex @code{ffloor2 ()}
1210 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x)
1211 @cindex @code{fceiling2 ()}
1212 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x)
1213 @cindex @code{ftruncate2 ()}
1214 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x)
1215 @cindex @code{fround2 ()}
1216 @end table
1217 and similarly for class @code{cl_R}, but with quotient type @code{cl_F}.
1218 @cindex @code{cl_R_fdiv_t}
1219
1220 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1221
1222 @table @code
1223 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ cl_F quotient; cl_R remainder; @};
1224 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1225 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1226 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1227 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1228 @end table
1229
1230 Other applications need only the remainder of a division.
1231 The remainder of @samp{floor} and @samp{ffloor} is called @samp{mod}
1232 (abbreviation of ``modulo''). The remainder @samp{truncate} and
1233 @samp{ftruncate} is called @samp{rem} (abbreviation of ``remainder'').
1234
1235 @itemize @bullet
1236 @item
1237 @code{mod(x,y) = floor2(x,y).remainder = x - floor(x/y)*y}
1238 @item
1239 @code{rem(x,y) = truncate2(x,y).remainder = x - truncate(x/y)*y}
1240 @end itemize
1241
1242 If @code{x} and @code{y} are both >= 0, @code{mod(x,y) = rem(x,y) >= 0}.
1243 In general, @code{mod(x,y)} has the sign of @code{y} or is zero,
1244 and @code{rem(x,y)} has the sign of @code{x} or is zero.
1245
1246 The classes @code{cl_R}, @code{cl_I} define the following operations:
1247
1248 @table @code
1249 @item @var{type} mod (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1250 @cindex @code{mod ()}
1251 @itemx @var{type} rem (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1252 @cindex @code{rem ()}
1253 @end table
1254
1255
1256 @section Roots
1257
1258 Each of the classes @code{cl_R},
1259 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1260 defines the following operation:
1261
1262 @table @code
1263 @item @var{type} sqrt (const @var{type}& x)
1264 @cindex @code{sqrt ()}
1265 @code{x} must be >= 0. This function returns the square root of @code{x},
1266 normalized to be >= 0. If @code{x} is the square of a rational number,
1267 @code{sqrt(x)} will be a rational number, else it will return a
1268 floating-point approximation.
1269 @end table
1270
1271 The classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} define the following operation:
1272
1273 @table @code
1274 @item cl_boolean sqrtp (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1275 @cindex @code{sqrtp ()}
1276 This tests whether @code{x} is a perfect square. If so, it returns true
1277 and the exact square root in @code{*root}, else it returns false.
1278 @end table
1279
1280 Furthermore, for integers, similarly:
1281
1282 @table @code
1283 @item cl_boolean isqrt (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1284 @cindex @code{isqrt ()}
1285 @code{x} should be >= 0. This function sets @code{*root} to
1286 @code{floor(sqrt(x))} and returns the same value as @code{sqrtp}:
1287 the boolean value @code{(expt(*root,2) == x)}.
1288 @end table
1289
1290 For @code{n}th roots, the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I}
1291 define the following operation:
1292
1293 @table @code
1294 @item cl_boolean rootp (const @var{type}& x, const cl_I& n, @var{type}* root)
1295 @cindex @code{rootp ()}
1296 @code{x} must be >= 0. @code{n} must be > 0.
1297 This tests whether @code{x} is an @code{n}th power of a rational number.
1298 If so, it returns true and the exact root in @code{*root}, else it returns
1299 false.
1300 @end table
1301
1302 The only square root function which accepts negative numbers is the one
1303 for class @code{cl_N}:
1304
1305 @table @code
1306 @item cl_N sqrt (const cl_N& z)
1307 @cindex @code{sqrt ()}
1308 Returns the square root of @code{z}, as defined by the formula
1309 @code{sqrt(z) = exp(log(z)/2)}. Conversion to a floating-point type
1310 or to a complex number are done if necessary. The range of the result is the
1311 right half plane @code{realpart(sqrt(z)) >= 0}
1312 including the positive imaginary axis and 0, but excluding
1313 the negative imaginary axis.
1314 The result is an exact number only if @code{z} is an exact number.
1315 @end table
1316
1317
1318 @section Transcendental functions
1319 @cindex transcendental functions
1320
1321 The transcendental functions return an exact result if the argument
1322 is exact and the result is exact as well. Otherwise they must return
1323 inexact numbers even if the argument is exact.
1324 For example, @code{cos(0) = 1} returns the rational number @code{1}.
1325
1326
1327 @subsection Exponential and logarithmic functions
1328
1329 @table @code
1330 @item cl_R exp (const cl_R& x)
1331 @cindex @code{exp ()}
1332 @itemx cl_N exp (const cl_N& x)
1333 Returns the exponential function of @code{x}. This is @code{e^x} where
1334 @code{e} is the base of the natural logarithms. The range of the result
1335 is the entire complex plane excluding 0.
1336
1337 @item cl_R ln (const cl_R& x)
1338 @cindex @code{ln ()}
1339 @code{x} must be > 0. Returns the (natural) logarithm of x.
1340
1341 @item cl_N log (const cl_N& x)
1342 @cindex @code{log ()}
1343 Returns the (natural) logarithm of x. If @code{x} is real and positive,
1344 this is @code{ln(x)}. In general, @code{log(x) = log(abs(x)) + i*phase(x)}.
1345 The range of the result is the strip in the complex plane
1346 @code{-pi < imagpart(log(x)) <= pi}.
1347
1348 @item cl_R phase (const cl_N& x)
1349 @cindex @code{phase ()}
1350 Returns the angle part of @code{x} in its polar representation as a
1351 complex number. That is, @code{phase(x) = atan(realpart(x),imagpart(x))}.
1352 This is also the imaginary part of @code{log(x)}.
1353 The range of the result is the interval @code{-pi < phase(x) <= pi}.
1354 The result will be an exact number only if @code{zerop(x)} or
1355 if @code{x} is real and positive.
1356
1357 @item cl_R log (const cl_R& a, const cl_R& b)
1358 @code{a} and @code{b} must be > 0. Returns the logarithm of @code{a} with
1359 respect to base @code{b}. @code{log(a,b) = ln(a)/ln(b)}.
1360 The result can be exact only if @code{a = 1} or if @code{a} and @code{b}
1361 are both rational.
1362
1363 @item cl_N log (const cl_N& a, const cl_N& b)
1364 Returns the logarithm of @code{a} with respect to base @code{b}.
1365 @code{log(a,b) = log(a)/log(b)}.
1366
1367 @item cl_N expt (const cl_N& x, const cl_N& y)
1368 @cindex @code{expt ()}
1369 Exponentiation: Returns @code{x^y = exp(y*log(x))}.
1370 @end table
1371
1372 The constant e = exp(1) = 2.71828@dots{} is returned by the following functions:
1373
1374 @table @code
1375 @item cl_F exp1 (float_format_t f)
1376 @cindex @code{exp1 ()}
1377 Returns e as a float of format @code{f}.
1378
1379 @item cl_F exp1 (const cl_F& y)
1380 Returns e in the float format of @code{y}.
1381
1382 @item cl_F exp1 (void)
1383 Returns e as a float of format @code{default_float_format}.
1384 @end table
1385
1386
1387 @subsection Trigonometric functions
1388
1389 @table @code
1390 @item cl_R sin (const cl_R& x)
1391 @cindex @code{sin ()}
1392 Returns @code{sin(x)}. The range of the result is the interval
1393 @code{-1 <= sin(x) <= 1}.
1394
1395 @item cl_N sin (const cl_N& z)
1396 Returns @code{sin(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1397
1398 @item cl_R cos (const cl_R& x)
1399 @cindex @code{cos ()}
1400 Returns @code{cos(x)}. The range of the result is the interval
1401 @code{-1 <= cos(x) <= 1}.
1402
1403 @item cl_N cos (const cl_N& x)
1404 Returns @code{cos(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1405
1406 @item struct cos_sin_t @{ cl_R cos; cl_R sin; @};
1407 @cindex @code{cos_sin_t}
1408 @itemx cos_sin_t cos_sin (const cl_R& x)
1409 Returns both @code{sin(x)} and @code{cos(x)}. This is more efficient than
1410 @cindex @code{cos_sin ()}
1411 computing them separately. The relation @code{cos^2 + sin^2 = 1} will
1412 hold only approximately.
1413
1414 @item cl_R tan (const cl_R& x)
1415 @cindex @code{tan ()}
1416 @itemx cl_N tan (const cl_N& x)
1417 Returns @code{tan(x) = sin(x)/cos(x)}.
1418
1419 @item cl_N cis (const cl_R& x)
1420 @cindex @code{cis ()}
1421 @itemx cl_N cis (const cl_N& x)
1422 Returns @code{exp(i*x)}. The name @samp{cis} means ``cos + i sin'', because
1423 @code{e^(i*x) = cos(x) + i*sin(x)}.
1424
1425 @cindex @code{asin}
1426 @cindex @code{asin ()}
1427 @item cl_N asin (const cl_N& z)
1428 Returns @code{arcsin(z)}. This is defined as
1429 @code{arcsin(z) = log(iz+sqrt(1-z^2))/i} and satisfies
1430 @code{arcsin(-z) = -arcsin(z)}.
1431 The range of the result is the strip in the complex domain
1432 @code{-pi/2 <= realpart(arcsin(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1433 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1434 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart > 0}.
1435 @ignore
1436 Proof: This follows from arcsin(z) = arsinh(iz)/i and the corresponding
1437 results for arsinh.
1438 @end ignore
1439
1440 @item cl_N acos (const cl_N& z)
1441 @cindex @code{acos ()}
1442 Returns @code{arccos(z)}. This is defined as
1443 @code{arccos(z) = pi/2 - arcsin(z) = log(z+i*sqrt(1-z^2))/i}
1444 @ignore
1445  Kahan's formula:
1446  @code{arccos(z) = 2*log(sqrt((1+z)/2)+i*sqrt((1-z)/2))/i}
1447 @end ignore
1448 and satisfies @code{arccos(-z) = pi - arccos(z)}.
1449 The range of the result is the strip in the complex domain
1450 @code{0 <= realpart(arcsin(z)) <= pi}, excluding the numbers
1451 with @code{realpart = 0} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1452 with @code{realpart = pi} and @code{imagpart > 0}.
1453 @ignore
1454 Proof: This follows from the results about arcsin.
1455 @end ignore
1456
1457 @cindex @code{atan}
1458 @cindex @code{atan ()}
1459 @item cl_R atan (const cl_R& x, const cl_R& y)
1460 Returns the angle of the polar representation of the complex number
1461 @code{x+iy}. This is @code{atan(y/x)} if @code{x>0}. The range of
1462 the result is the interval @code{-pi < atan(x,y) <= pi}. The result will
1463 be an exact number only if @code{x > 0} and @code{y} is the exact @code{0}.
1464 WARNING: In Common Lisp, this function is called as @code{(atan y x)},
1465 with reversed order of arguments.
1466
1467 @item cl_R atan (const cl_R& x)
1468 Returns @code{arctan(x)}. This is the same as @code{atan(1,x)}. The range
1469 of the result is the interval @code{-pi/2 < atan(x) < pi/2}. The result
1470 will be an exact number only if @code{x} is the exact @code{0}.
1471
1472 @item cl_N atan (const cl_N& z)
1473 Returns @code{arctan(z)}. This is defined as
1474 @code{arctan(z) = (log(1+iz)-log(1-iz)) / 2i} and satisfies
1475 @code{arctan(-z) = -arctan(z)}. The range of the result is
1476 the strip in the complex domain
1477 @code{-pi/2 <= realpart(arctan(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1478 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart >= 0} and the numbers
1479 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart <= 0}.
1480 @ignore
1481 Proof: arctan(z) = artanh(iz)/i, we know the range of the artanh function.
1482 @end ignore
1483
1484 @end table
1485
1486 @cindex pi
1487 @cindex Archimedes' constant
1488 Archimedes' constant pi = 3.14@dots{} is returned by the following functions:
1489
1490 @table @code
1491 @item cl_F pi (float_format_t f)
1492 @cindex @code{pi ()}
1493 Returns pi as a float of format @code{f}.
1494
1495 @item cl_F pi (const cl_F& y)
1496 Returns pi in the float format of @code{y}.
1497
1498 @item cl_F pi (void)
1499 Returns pi as a float of format @code{default_float_format}.
1500 @end table
1501
1502
1503 @subsection Hyperbolic functions
1504
1505 @table @code
1506 @item cl_R sinh (const cl_R& x)
1507 @cindex @code{sinh ()}
1508 Returns @code{sinh(x)}.
1509
1510 @item cl_N sinh (const cl_N& z)
1511 Returns @code{sinh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1512
1513 @item cl_R cosh (const cl_R& x)
1514 @cindex @code{cosh ()}
1515 Returns @code{cosh(x)}. The range of the result is the interval
1516 @code{cosh(x) >= 1}.
1517
1518 @item cl_N cosh (const cl_N& z)
1519 Returns @code{cosh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1520
1521 @item struct cosh_sinh_t @{ cl_R cosh; cl_R sinh; @};
1522 @cindex @code{cosh_sinh_t}
1523 @itemx cosh_sinh_t cosh_sinh (const cl_R& x)
1524 @cindex @code{cosh_sinh ()}
1525 Returns both @code{sinh(x)} and @code{cosh(x)}. This is more efficient than
1526 computing them separately. The relation @code{cosh^2 - sinh^2 = 1} will
1527 hold only approximately.
1528
1529 @item cl_R tanh (const cl_R& x)
1530 @cindex @code{tanh ()}
1531 @itemx cl_N tanh (const cl_N& x)
1532 Returns @code{tanh(x) = sinh(x)/cosh(x)}.
1533
1534 @item cl_N asinh (const cl_N& z)
1535 @cindex @code{asinh ()}
1536 Returns @code{arsinh(z)}. This is defined as
1537 @code{arsinh(z) = log(z+sqrt(1+z^2))} and satisfies
1538 @code{arsinh(-z) = -arsinh(z)}.
1539 @ignore
1540 Proof: Knowing the range of log, we know -pi < imagpart(arsinh(z)) <= pi.
1541 Actually, z+sqrt(1+z^2) can never be real and <0, so
1542 -pi < imagpart(arsinh(z)) < pi.
1543 We have (z+sqrt(1+z^2))*(-z+sqrt(1+(-z)^2)) = (1+z^2)-z^2 = 1, hence the
1544 logs of both factors sum up to 0 mod 2*pi*i, hence to 0.
1545 @end ignore
1546 The range of the result is the strip in the complex domain
1547 @code{-pi/2 <= imagpart(arsinh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1548 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart > 0} and the numbers
1549 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart < 0}.
1550 @ignore
1551 Proof: Write z = x+iy. Because of arsinh(-z) = -arsinh(z), we may assume
1552 that z is in Range(sqrt), that is, x>=0 and, if x=0, then y>=0.
1553 If x > 0, then Re(z+sqrt(1+z^2)) = x + Re(sqrt(1+z^2)) >= x > 0,
1554 so -pi/2 < imagpart(log(z+sqrt(1+z^2))) < pi/2.
1555 If x = 0 and y >= 0, arsinh(z) = log(i*y+sqrt(1-y^2)).
1556   If y <= 1, the realpart is 0 and the imagpart is >= 0 and <= pi/2.
1557   If y >= 1, the imagpart is pi/2 and the realpart is
1558              log(y+sqrt(y^2-1)) >= log(y) >= 0.
1559 @end ignore
1560 @ignore
1561 Moreover, if z is in Range(sqrt),
1562 log(sqrt(1+z^2)+z) = 2 artanh(z/(1+sqrt(1+z^2)))
1563 (for a proof, see file src/cl_C_asinh.cc).
1564 @end ignore
1565
1566 @item cl_N acosh (const cl_N& z)
1567 @cindex @code{acosh ()}
1568 Returns @code{arcosh(z)}. This is defined as
1569 @code{arcosh(z) = 2*log(sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))}.
1570 The range of the result is the half-strip in the complex domain
1571 @code{-pi < imagpart(arcosh(z)) <= pi, realpart(arcosh(z)) >= 0},
1572 excluding the numbers with @code{realpart = 0} and @code{-pi < imagpart < 0}.
1573 @ignore
1574 Proof: sqrt((z+1)/2) and sqrt((z-1)/2)) lie in Range(sqrt), hence does
1575 their sum, hence its log has an imagpart <= pi/2 and > -pi/2.
1576 If z is in Range(sqrt), we have
1577   sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1)
1578   ==> (sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))^2 = (z+1)/2 + sqrt(z^2-1) + (z-1)/2
1579                                       = z + sqrt(z^2-1)
1580   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) mod 2*pi*i
1581   and since the imagpart of both expressions is > -pi, <= pi
1582   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1))
1583   To prove that the realpart of this is >= 0, write z = x+iy with x>=0,
1584   z^2-1 = u+iv with u = x^2-y^2-1, v = 2xy,
1585   sqrt(z^2-1) = p+iq with p = sqrt((sqrt(u^2+v^2)+u)/2) >= 0,
1586                           q = sqrt((sqrt(u^2+v^2)-u)/2) * sign(v),
1587   then |z+sqrt(z^2-1)|^2 = |x+iy + p+iq|^2
1588           = (x+p)^2 + (y+q)^2
1589           = x^2 + 2xp + p^2 + y^2 + 2yq + q^2
1590           >= x^2 + p^2 + y^2 + q^2                 (since x>=0, p>=0, yq>=0)
1591           = x^2 + y^2 + sqrt(u^2+v^2)
1592           >= x^2 + y^2 + |u|
1593           >= x^2 + y^2 - u
1594           = 1 + 2*y^2
1595           >= 1
1596   hence realpart(log(z+sqrt(z^2-1))) = log(|z+sqrt(z^2-1)|) >= 0.
1597   Equality holds only if y = 0 and u <= 0, i.e. 0 <= x < 1.
1598   In this case arcosh(z) = log(x+i*sqrt(1-x^2)) has imagpart >=0.
1599 Otherwise, -z is in Range(sqrt).
1600   If y != 0, sqrt((z+1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z-1)/2),
1601              sqrt((z-1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z+1)/2),
1602              hence arcosh(z) = sign(y)*pi/2*i + arcosh(-z),
1603              and this has realpart > 0.
1604   If y = 0 and -1<=x<=0, we still have sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1),
1605              ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) = log(x+i*sqrt(1-x^2))
1606              has realpart = 0 and imagpart > 0.
1607   If y = 0 and x<=-1, however, sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = - sqrt(z^2-1),
1608              ==> arcosh(z) = log(z-sqrt(z^2-1)) = pi*i + arcosh(-z).
1609              This has realpart >= 0 and imagpart = pi.
1610 @end ignore
1611
1612 @item cl_N atanh (const cl_N& z)
1613 @cindex @code{atanh ()}
1614 Returns @code{artanh(z)}. This is defined as
1615 @code{artanh(z) = (log(1+z)-log(1-z)) / 2} and satisfies
1616 @code{artanh(-z) = -artanh(z)}. The range of the result is
1617 the strip in the complex domain
1618 @code{-pi/2 <= imagpart(artanh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1619 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart <= 0} and the numbers
1620 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart >= 0}.
1621 @ignore
1622 Proof: Write z = x+iy. Examine
1623   imagpart(artanh(z)) = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2.
1624   Case 1: y = 0.
1625           x > 1 ==> imagpart = -pi/2, realpart = 1/2 log((x+1)/(x-1)) > 0,
1626           x < -1 ==> imagpart = pi/2, realpart = 1/2 log((-x-1)/(-x+1)) < 0,
1627           |x| < 1 ==> imagpart = 0
1628   Case 2: y > 0.
1629           imagpart(artanh(z))
1630               = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2
1631               = ((pi/2 - atan((1+x)/y)) - (-pi/2 - atan((1-x)/-y)))/2
1632               = (pi - atan((1+x)/y) - atan((1-x)/y))/2
1633               > (pi -     pi/2      -     pi/2     )/2 = 0
1634           and (1+x)/y > (1-x)/y
1635               ==> atan((1+x)/y) > atan((-1+x)/y) = - atan((1-x)/y)
1636               ==> imagpart < pi/2.
1637           Hence 0 < imagpart < pi/2.
1638   Case 3: y < 0.
1639           By artanh(z) = -artanh(-z) and case 2, -pi/2 < imagpart < 0.
1640 @end ignore
1641 @end table
1642
1643
1644 @subsection Euler gamma
1645 @cindex Euler's constant
1646
1647 Euler's constant C = 0.577@dots{} is returned by the following functions:
1648
1649 @table @code
1650 @item cl_F eulerconst (float_format_t f)
1651 @cindex @code{eulerconst ()}
1652 Returns Euler's constant as a float of format @code{f}.
1653
1654 @item cl_F eulerconst (const cl_F& y)
1655 Returns Euler's constant in the float format of @code{y}.
1656
1657 @item cl_F eulerconst (void)
1658 Returns Euler's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1659 @end table
1660
1661 Catalan's constant G = 0.915@dots{} is returned by the following functions:
1662 @cindex Catalan's constant
1663
1664 @table @code
1665 @item cl_F catalanconst (float_format_t f)
1666 @cindex @code{catalanconst ()}
1667 Returns Catalan's constant as a float of format @code{f}.
1668
1669 @item cl_F catalanconst (const cl_F& y)
1670 Returns Catalan's constant in the float format of @code{y}.
1671
1672 @item cl_F catalanconst (void)
1673 Returns Catalan's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1674 @end table
1675
1676
1677 @subsection Riemann zeta
1678 @cindex Riemann's zeta
1679
1680 Riemann's zeta function at an integral point @code{s>1} is returned by the
1681 following functions:
1682
1683 @table @code
1684 @item cl_F zeta (int s, float_format_t f)
1685 @cindex @code{zeta ()}
1686 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format @code{f}.
1687
1688 @item cl_F zeta (int s, const cl_F& y)
1689 Returns Riemann's zeta function at @code{s} in the float format of @code{y}.
1690
1691 @item cl_F zeta (int s)
1692 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format
1693 @code{default_float_format}.
1694 @end table
1695
1696
1697 @section Functions on integers
1698
1699 @subsection Logical functions
1700
1701 Integers, when viewed as in two's complement notation, can be thought as
1702 infinite bit strings where the bits' values eventually are constant.
1703 For example,
1704 @example
1705     17 = ......00010001
1706     -6 = ......11111010
1707 @end example
1708
1709 The logical operations view integers as such bit strings and operate
1710 on each of the bit positions in parallel.
1711
1712 @table @code
1713 @item cl_I lognot (const cl_I& x)
1714 @cindex @code{lognot ()}
1715 @itemx cl_I operator ~ (const cl_I& x)
1716 @cindex @code{operator ~ ()}
1717 Logical not, like @code{~x} in C. This is the same as @code{-1-x}.
1718
1719 @item cl_I logand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1720 @cindex @code{logand ()}
1721 @itemx cl_I operator & (const cl_I& x, const cl_I& y)
1722 @cindex @code{operator & ()}
1723 Logical and, like @code{x & y} in C.
1724
1725 @item cl_I logior (const cl_I& x, const cl_I& y)
1726 @cindex @code{logior ()}
1727 @itemx cl_I operator | (const cl_I& x, const cl_I& y)
1728 @cindex @code{operator | ()}
1729 Logical (inclusive) or, like @code{x | y} in C.
1730
1731 @item cl_I logxor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1732 @cindex @code{logxor ()}
1733 @itemx cl_I operator ^ (const cl_I& x, const cl_I& y)
1734 @cindex @code{operator ^ ()}
1735 Exclusive or, like @code{x ^ y} in C.
1736
1737 @item cl_I logeqv (const cl_I& x, const cl_I& y)
1738 @cindex @code{logeqv ()}
1739 Bitwise equivalence, like @code{~(x ^ y)} in C.
1740
1741 @item cl_I lognand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1742 @cindex @code{lognand ()}
1743 Bitwise not and, like @code{~(x & y)} in C.
1744
1745 @item cl_I lognor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1746 @cindex @code{lognor ()}
1747 Bitwise not or, like @code{~(x | y)} in C.
1748
1749 @item cl_I logandc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1750 @cindex @code{logandc1 ()}
1751 Logical and, complementing the first argument, like @code{~x & y} in C.
1752
1753 @item cl_I logandc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1754 @cindex @code{logandc2 ()}
1755 Logical and, complementing the second argument, like @code{x & ~y} in C.
1756
1757 @item cl_I logorc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1758 @cindex @code{logorc1 ()}
1759 Logical or, complementing the first argument, like @code{~x | y} in C.
1760
1761 @item cl_I logorc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1762 @cindex @code{logorc2 ()}
1763 Logical or, complementing the second argument, like @code{x | ~y} in C.
1764 @end table
1765
1766 These operations are all available though the function
1767 @table @code
1768 @item cl_I boole (cl_boole op, const cl_I& x, const cl_I& y)
1769 @cindex @code{boole ()}
1770 @end table
1771 where @code{op} must have one of the 16 values (each one stands for a function
1772 which combines two bits into one bit): @code{boole_clr}, @code{boole_set},
1773 @code{boole_1}, @code{boole_2}, @code{boole_c1}, @code{boole_c2},
1774 @code{boole_and}, @code{boole_ior}, @code{boole_xor}, @code{boole_eqv},
1775 @code{boole_nand}, @code{boole_nor}, @code{boole_andc1}, @code{boole_andc2},
1776 @code{boole_orc1}, @code{boole_orc2}.
1777 @cindex @code{boole_clr}
1778 @cindex @code{boole_set}
1779 @cindex @code{boole_1}
1780 @cindex @code{boole_2}
1781 @cindex @code{boole_c1}
1782 @cindex @code{boole_c2}
1783 @cindex @code{boole_and}
1784 @cindex @code{boole_xor}
1785 @cindex @code{boole_eqv}
1786 @cindex @code{boole_nand}
1787 @cindex @code{boole_nor}
1788 @cindex @code{boole_andc1}
1789 @cindex @code{boole_andc2}
1790 @cindex @code{boole_orc1}
1791 @cindex @code{boole_orc2}
1792
1793
1794 Other functions that view integers as bit strings:
1795
1796 @table @code
1797 @item cl_boolean logtest (const cl_I& x, const cl_I& y)
1798 @cindex @code{logtest ()}
1799 Returns true if some bit is set in both @code{x} and @code{y}, i.e. if
1800 @code{logand(x,y) != 0}.
1801
1802 @item cl_boolean logbitp (const cl_I& n, const cl_I& x)
1803 @cindex @code{logbitp ()}
1804 Returns true if the @code{n}th bit (from the right) of @code{x} is set.
1805 Bit 0 is the least significant bit.
1806
1807 @item uintL logcount (const cl_I& x)
1808 @cindex @code{logcount ()}
1809 Returns the number of one bits in @code{x}, if @code{x} >= 0, or
1810 the number of zero bits in @code{x}, if @code{x} < 0.
1811 @end table
1812
1813 The following functions operate on intervals of bits in integers. 
1814 The type
1815 @example
1816 struct cl_byte @{ uintL size; uintL position; @};
1817 @end example
1818 @cindex @code{cl_byte}
1819 represents the bit interval containing the bits
1820 @code{position}@dots{}@code{position+size-1} of an integer.
1821 The constructor @code{cl_byte(size,position)} constructs a @code{cl_byte}.
1822
1823 @table @code
1824 @item cl_I ldb (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1825 @cindex @code{ldb ()}
1826 extracts the bits of @code{n} described by the bit interval @code{b}
1827 and returns them as a nonnegative integer with @code{b.size} bits.
1828
1829 @item cl_boolean ldb_test (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1830 @cindex @code{ldb_test ()}
1831 Returns true if some bit described by the bit interval @code{b} is set in
1832 @code{n}.
1833
1834 @item cl_I dpb (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1835 @cindex @code{dpb ()}
1836 Returns @code{n}, with the bits described by the bit interval @code{b}
1837 replaced by @code{newbyte}. Only the lowest @code{b.size} bits of
1838 @code{newbyte} are relevant.
1839 @end table
1840
1841 The functions @code{ldb} and @code{dpb} implicitly shift. The following
1842 functions are their counterparts without shifting:
1843
1844 @table @code
1845 @item cl_I mask_field (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1846 @cindex @code{mask_field ()}
1847 returns an integer with the bits described by the bit interval @code{b}
1848 copied from the corresponding bits in @code{n}, the other bits zero.
1849
1850 @item cl_I deposit_field (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1851 @cindex @code{deposit_field ()}
1852 returns an integer where the bits described by the bit interval @code{b}
1853 come from @code{newbyte} and the other bits come from @code{n}.
1854 @end table
1855
1856 The following relations hold:
1857
1858 @itemize @asis
1859 @item
1860 @code{ldb (n, b) = mask_field(n, b) >> b.position},
1861 @item
1862 @code{dpb (newbyte, n, b) = deposit_field (newbyte << b.position, n, b)},
1863 @item
1864 @code{deposit_field(newbyte,n,b) = n ^ mask_field(n,b) ^ mask_field(new_byte,b)}.
1865 @end itemize
1866
1867 The following operations on integers as bit strings are efficient shortcuts
1868 for common arithmetic operations:
1869
1870 @table @code
1871 @item cl_boolean oddp (const cl_I& x)
1872 @cindex @code{oddp ()}
1873 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 1. Equivalent to
1874 @code{mod(x,2) != 0}.
1875
1876 @item cl_boolean evenp (const cl_I& x)
1877 @cindex @code{evenp ()}
1878 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 0. Equivalent to
1879 @code{mod(x,2) == 0}.
1880
1881 @item cl_I operator << (const cl_I& x, const cl_I& n)
1882 @cindex @code{operator << ()}
1883 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the left. @code{n} should be >=0.
1884 Equivalent to @code{x * expt(2,n)}.
1885
1886 @item cl_I operator >> (const cl_I& x, const cl_I& n)
1887 @cindex @code{operator >> ()}
1888 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the right. @code{n} should be >=0.
1889 Bits shifted out to the right are thrown away.
1890 Equivalent to @code{floor(x / expt(2,n))}.
1891
1892 @item cl_I ash (const cl_I& x, const cl_I& y)
1893 @cindex @code{ash ()}
1894 Shifts @code{x} by @code{y} bits to the left (if @code{y}>=0) or
1895 by @code{-y} bits to the right (if @code{y}<=0). In other words, this
1896 returns @code{floor(x * expt(2,y))}.
1897
1898 @item uintL integer_length (const cl_I& x)
1899 @cindex @code{integer_length ()}
1900 Returns the number of bits (excluding the sign bit) needed to represent @code{x}
1901 in two's complement notation. This is the smallest n >= 0 such that
1902 -2^n <= x < 2^n. If x > 0, this is the unique n > 0 such that
1903 2^(n-1) <= x < 2^n.
1904
1905 @item uintL ord2 (const cl_I& x)
1906 @cindex @code{ord2 ()}
1907 @code{x} must be non-zero. This function returns the number of 0 bits at the
1908 right of @code{x} in two's complement notation. This is the largest n >= 0
1909 such that 2^n divides @code{x}.
1910
1911 @item uintL power2p (const cl_I& x)
1912 @cindex @code{power2p ()}
1913 @code{x} must be > 0. This function checks whether @code{x} is a power of 2.
1914 If @code{x} = 2^(n-1), it returns n. Else it returns 0.
1915 (See also the function @code{logp}.)
1916 @end table
1917
1918
1919 @subsection Number theoretic functions
1920
1921 @table @code
1922 @item uint32 gcd (unsigned long a, unsigned long b)
1923 @cindex @code{gcd ()}
1924 @itemx cl_I gcd (const cl_I& a, const cl_I& b)
1925 This function returns the greatest common divisor of @code{a} and @code{b},
1926 normalized to be >= 0.
1927
1928 @item cl_I xgcd (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_I* u, cl_I* v)
1929 @cindex @code{xgcd ()}
1930 This function (``extended gcd'') returns the greatest common divisor @code{g} of
1931 @code{a} and @code{b} and at the same time the representation of @code{g}
1932 as an integral linear combination of @code{a} and @code{b}:
1933 @code{u} and @code{v} with @code{u*a+v*b = g}, @code{g} >= 0.
1934 @code{u} and @code{v} will be normalized to be of smallest possible absolute
1935 value, in the following sense: If @code{a} and @code{b} are non-zero, and
1936 @code{abs(a) != abs(b)}, @code{u} and @code{v} will satisfy the inequalities
1937 @code{abs(u) <= abs(b)/(2*g)}, @code{abs(v) <= abs(a)/(2*g)}.
1938
1939 @item cl_I lcm (const cl_I& a, const cl_I& b)
1940 @cindex @code{lcm ()}
1941 This function returns the least common multiple of @code{a} and @code{b},
1942 normalized to be >= 0.
1943
1944 @item cl_boolean logp (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_RA* l)
1945 @cindex @code{logp ()}
1946 @itemx cl_boolean logp (const cl_RA& a, const cl_RA& b, cl_RA* l)
1947 @code{a} must be > 0. @code{b} must be >0 and != 1. If log(a,b) is
1948 rational number, this function returns true and sets *l = log(a,b), else
1949 it returns false.
1950
1951 @item int jacobi (signed long a, signed long b)
1952 @cindex @code{jacobi()}
1953 @itemx int jacobi (const cl_I& a, const cl_I& b)
1954 Returns the Jacobi symbol 
1955 @tex 
1956 $\left({a\over b}\right)$,
1957 @end tex
1958 @ifnottex 
1959 (a/b),
1960 @end ifnottex
1961 @code{a,b} must be integers, @code{b>0} and odd. The result is 0
1962 iff gcd(a,b)>1.
1963
1964 @item cl_boolean isprobprime (const cl_I& n)
1965 @cindex prime
1966 @cindex @code{isprobprime()}
1967 Returns true if @code{n} is a small prime or passes the Miller-Rabin 
1968 primality test. The probability of a false positive is 1:10^30.
1969
1970 @item cl_I nextprobprime (const cl_R& x)
1971 @cindex @code{nextprobprime()}
1972 Returns the smallest probable prime >=@code{x}.
1973 @end table
1974
1975
1976 @subsection Combinatorial functions
1977
1978 @table @code
1979 @item cl_I factorial (uintL n)
1980 @cindex @code{factorial ()}
1981 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the factorial
1982 @code{n}! = @code{1*2*@dots{}*n}.
1983
1984 @item cl_I doublefactorial (uintL n)
1985 @cindex @code{doublefactorial ()}
1986 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the 
1987 doublefactorial @code{n}!! = @code{1*3*@dots{}*n} or 
1988 @code{n}!! = @code{2*4*@dots{}*n}, respectively.
1989
1990 @item cl_I binomial (uintL n, uintL k)
1991 @cindex @code{binomial ()}
1992 @code{n} and @code{k} must be small integers >= 0. This function returns the
1993 binomial coefficient
1994 @tex
1995 ${n \choose k} = {n! \over n! (n-k)!}$
1996 @end tex
1997 @ifinfo
1998 (@code{n} choose @code{k}) = @code{n}! / @code{k}! @code{(n-k)}!
1999 @end ifinfo
2000 for 0 <= k <= n, 0 else.
2001 @end table
2002
2003
2004 @section Functions on floating-point numbers
2005
2006 Recall that a floating-point number consists of a sign @code{s}, an
2007 exponent @code{e} and a mantissa @code{m}. The value of the number is
2008 @code{(-1)^s * 2^e * m}.
2009
2010 Each of the classes
2011 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2012 defines the following operations.
2013
2014 @table @code
2015 @item @var{type} scale_float (const @var{type}& x, sintL delta)
2016 @cindex @code{scale_float ()}
2017 @itemx @var{type} scale_float (const @var{type}& x, const cl_I& delta)
2018 Returns @code{x*2^delta}. This is more efficient than an explicit multiplication
2019 because it copies @code{x} and modifies the exponent.
2020 @end table
2021
2022 The following functions provide an abstract interface to the underlying
2023 representation of floating-point numbers.
2024
2025 @table @code
2026 @item sintL float_exponent (const @var{type}& x)
2027 @cindex @code{float_exponent ()}
2028 Returns the exponent @code{e} of @code{x}.
2029 For @code{x = 0.0}, this is 0. For @code{x} non-zero, this is the unique
2030 integer with @code{2^(e-1) <= abs(x) < 2^e}.
2031
2032 @item sintL float_radix (const @var{type}& x)
2033 @cindex @code{float_radix ()}
2034 Returns the base of the floating-point representation. This is always @code{2}.
2035
2036 @item @var{type} float_sign (const @var{type}& x)
2037 @cindex @code{float_sign ()}
2038 Returns the sign @code{s} of @code{x} as a float. The value is 1 for
2039 @code{x} >= 0, -1 for @code{x} < 0.
2040
2041 @item uintL float_digits (const @var{type}& x)
2042 @cindex @code{float_digits ()}
2043 Returns the number of mantissa bits in the floating-point representation
2044 of @code{x}, including the hidden bit. The value only depends on the type
2045 of @code{x}, not on its value.
2046
2047 @item uintL float_precision (const @var{type}& x)
2048 @cindex @code{float_precision ()}
2049 Returns the number of significant mantissa bits in the floating-point
2050 representation of @code{x}. Since denormalized numbers are not supported,
2051 this is the same as @code{float_digits(x)} if @code{x} is non-zero, and
2052 0 if @code{x} = 0.
2053 @end table
2054
2055 The complete internal representation of a float is encoded in the type
2056 @cindex @code{decoded_float}
2057 @cindex @code{decoded_sfloat}
2058 @cindex @code{decoded_ffloat}
2059 @cindex @code{decoded_dfloat}
2060 @cindex @code{decoded_lfloat}
2061 @code{decoded_float} (or @code{decoded_sfloat}, @code{decoded_ffloat},
2062 @code{decoded_dfloat}, @code{decoded_lfloat}, respectively), defined by
2063 @example
2064 struct decoded_@var{type}float @{
2065         @var{type} mantissa; cl_I exponent; @var{type} sign;
2066 @};
2067 @end example
2068
2069 and returned by the function
2070
2071 @table @code
2072 @item decoded_@var{type}float decode_float (const @var{type}& x)
2073 @cindex @code{decode_float ()}
2074 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2075 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{0.5 <= m < 1.0}. For @code{x} = 0,
2076 it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2077 @code{e} is the same as returned by the function @code{float_exponent}.
2078 @end table
2079
2080 A complete decoding in terms of integers is provided as type
2081 @cindex @code{cl_idecoded_float}
2082 @example
2083 struct cl_idecoded_float @{
2084         cl_I mantissa; cl_I exponent; cl_I sign;
2085 @};
2086 @end example
2087 by the following function:
2088
2089 @table @code
2090 @item cl_idecoded_float integer_decode_float (const @var{type}& x)
2091 @cindex @code{integer_decode_float ()}
2092 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2093 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{m} an integer with @code{float_digits(x)}
2094 bits. For @code{x} = 0, it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2095 WARNING: The exponent @code{e} is not the same as the one returned by
2096 the functions @code{decode_float} and @code{float_exponent}.
2097 @end table
2098
2099 Some other function, implemented only for class @code{cl_F}:
2100
2101 @table @code
2102 @item cl_F float_sign (const cl_F& x, const cl_F& y)
2103 @cindex @code{float_sign ()}
2104 This returns a floating point number whose precision and absolute value
2105 is that of @code{y} and whose sign is that of @code{x}. If @code{x} is
2106 zero, it is treated as positive. Same for @code{y}.
2107 @end table
2108
2109
2110 @section Conversion functions
2111 @cindex conversion
2112
2113 @subsection Conversion to floating-point numbers
2114
2115 The type @code{float_format_t} describes a floating-point format.
2116 @cindex @code{float_format_t}
2117
2118 @table @code
2119 @item float_format_t float_format (uintL n)
2120 @cindex @code{float_format ()}
2121 Returns the smallest float format which guarantees at least @code{n}
2122 decimal digits in the mantissa (after the decimal point).
2123
2124 @item float_format_t float_format (const cl_F& x)
2125 Returns the floating point format of @code{x}.
2126
2127 @item float_format_t default_float_format
2128 @cindex @code{default_float_format}
2129 Global variable: the default float format used when converting rational numbers
2130 to floats.
2131 @end table
2132
2133 To convert a real number to a float, each of the types
2134 @code{cl_R}, @code{cl_F}, @code{cl_I}, @code{cl_RA},
2135 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{float}, @code{double}
2136 defines the following operations:
2137
2138 @table @code
2139 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, float_format_t f)
2140 @cindex @code{cl_float ()}
2141 Returns @code{x} as a float of format @code{f}.
2142 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, const cl_F& y)
2143 Returns @code{x} in the float format of @code{y}.
2144 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x)
2145 Returns @code{x} as a float of format @code{default_float_format} if
2146 it is an exact number, or @code{x} itself if it is already a float.
2147 @end table
2148
2149 Of course, converting a number to a float can lose precision.
2150
2151 Every floating-point format has some characteristic numbers:
2152
2153 @table @code
2154 @item cl_F most_positive_float (float_format_t f)
2155 @cindex @code{most_positive_float ()}
2156 Returns the largest (most positive) floating point number in float format @code{f}.
2157
2158 @item cl_F most_negative_float (float_format_t f)
2159 @cindex @code{most_negative_float ()}
2160 Returns the smallest (most negative) floating point number in float format @code{f}.
2161
2162 @item cl_F least_positive_float (float_format_t f)
2163 @cindex @code{least_positive_float ()}
2164 Returns the least positive floating point number (i.e. > 0 but closest to 0)
2165 in float format @code{f}.
2166
2167 @item cl_F least_negative_float (float_format_t f)
2168 @cindex @code{least_negative_float ()}
2169 Returns the least negative floating point number (i.e. < 0 but closest to 0)
2170 in float format @code{f}.
2171
2172 @item cl_F float_epsilon (float_format_t f)
2173 @cindex @code{float_epsilon ()}
2174 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1+e != 1}.
2175
2176 @item cl_F float_negative_epsilon (float_format_t f)
2177 @cindex @code{float_negative_epsilon ()}
2178 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1-e != 1}.
2179 @end table
2180
2181
2182 @subsection Conversion to rational numbers
2183
2184 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_F}
2185 defines the following operation:
2186
2187 @table @code
2188 @item cl_RA rational (const @var{type}& x)
2189 @cindex @code{rational ()}
2190 Returns the value of @code{x} as an exact number. If @code{x} is already
2191 an exact number, this is @code{x}. If @code{x} is a floating-point number,
2192 the value is a rational number whose denominator is a power of 2.
2193 @end table
2194
2195 In order to convert back, say, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3"} to @code{1/3}, there is
2196 the function
2197
2198 @table @code
2199 @item cl_RA rationalize (const cl_R& x)
2200 @cindex @code{rationalize ()}
2201 If @code{x} is a floating-point number, it actually represents an interval
2202 of real numbers, and this function returns the rational number with
2203 smallest denominator (and smallest numerator, in magnitude)
2204 which lies in this interval.
2205 If @code{x} is already an exact number, this function returns @code{x}.
2206 @end table
2207
2208 If @code{x} is any float, one has
2209
2210 @itemize @asis
2211 @item
2212 @code{cl_float(rational(x),x) = x}
2213 @item
2214 @code{cl_float(rationalize(x),x) = x}
2215 @end itemize
2216
2217
2218 @section Random number generators
2219
2220
2221 A random generator is a machine which produces (pseudo-)random numbers.
2222 The include file @code{<cln/random.h>} defines a class @code{random_state}
2223 which contains the state of a random generator. If you make a copy
2224 of the random number generator, the original one and the copy will produce
2225 the same sequence of random numbers.
2226
2227 The following functions return (pseudo-)random numbers in different formats.
2228 Calling one of these modifies the state of the random number generator in
2229 a complicated but deterministic way.
2230
2231 The global variable
2232 @cindex @code{random_state}
2233 @cindex @code{default_random_state}
2234 @example
2235 random_state default_random_state
2236 @end example
2237 contains a default random number generator. It is used when the functions
2238 below are called without @code{random_state} argument.
2239
2240 @table @code
2241 @item uint32 random32 (random_state& randomstate)
2242 @itemx uint32 random32 ()
2243 @cindex @code{random32 ()}
2244 Returns a random unsigned 32-bit number. All bits are equally random.
2245
2246 @item cl_I random_I (random_state& randomstate, const cl_I& n)
2247 @itemx cl_I random_I (const cl_I& n)
2248 @cindex @code{random_I ()}
2249 @code{n} must be an integer > 0. This function returns a random integer @code{x}
2250 in the range @code{0 <= x < n}.
2251
2252 @item cl_F random_F (random_state& randomstate, const cl_F& n)
2253 @itemx cl_F random_F (const cl_F& n)
2254 @cindex @code{random_F ()}
2255 @code{n} must be a float > 0. This function returns a random floating-point
2256 number of the same format as @code{n} in the range @code{0 <= x < n}.
2257
2258 @item cl_R random_R (random_state& randomstate, const cl_R& n)
2259 @itemx cl_R random_R (const cl_R& n)
2260 @cindex @code{random_R ()}
2261 Behaves like @code{random_I} if @code{n} is an integer and like @code{random_F}
2262 if @code{n} is a float.
2263 @end table
2264
2265
2266 @section Obfuscating operators
2267 @cindex modifying operators
2268
2269 The modifying C/C++ operators @code{+=}, @code{-=}, @code{*=}, @code{/=},
2270 @code{&=}, @code{|=}, @code{^=}, @code{<<=}, @code{>>=}
2271 are not available by default because their
2272 use tends to make programs unreadable. It is trivial to get away without
2273 them. However, if you feel that you absolutely need these operators
2274 to get happy, then add
2275 @example
2276 #define WANT_OBFUSCATING_OPERATORS
2277 @end example
2278 @cindex @code{WANT_OBFUSCATING_OPERATORS}
2279 to the beginning of your source files, before the inclusion of any CLN
2280 include files. This flag will enable the following operators:
2281
2282 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
2283 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2284
2285 @table @code
2286 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2287 @cindex @code{operator += ()}
2288 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2289 @cindex @code{operator -= ()}
2290 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2291 @cindex @code{operator *= ()}
2292 @itemx @var{type}& operator /= (@var{type}&, const @var{type}&)
2293 @cindex @code{operator /= ()}
2294 @end table
2295
2296 For the class @code{cl_I}:
2297
2298 @table @code
2299 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2300 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2301 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2302 @itemx @var{type}& operator &= (@var{type}&, const @var{type}&)
2303 @cindex @code{operator &= ()}
2304 @itemx @var{type}& operator |= (@var{type}&, const @var{type}&)
2305 @cindex @code{operator |= ()}
2306 @itemx @var{type}& operator ^= (@var{type}&, const @var{type}&)
2307 @cindex @code{operator ^= ()}
2308 @itemx @var{type}& operator <<= (@var{type}&, const @var{type}&)
2309 @cindex @code{operator <<= ()}
2310 @itemx @var{type}& operator >>= (@var{type}&, const @var{type}&)
2311 @cindex @code{operator >>= ()}
2312 @end table
2313
2314 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2315 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2316
2317 @table @code
2318 @item @var{type}& operator ++ (@var{type}& x)
2319 @cindex @code{operator ++ ()}
2320 The prefix operator @code{++x}.
2321
2322 @item void operator ++ (@var{type}& x, int)
2323 The postfix operator @code{x++}.
2324
2325 @item @var{type}& operator -- (@var{type}& x)
2326 @cindex @code{operator -- ()}
2327 The prefix operator @code{--x}.
2328
2329 @item void operator -- (@var{type}& x, int)
2330 The postfix operator @code{x--}.
2331 @end table
2332
2333 Note that by using these obfuscating operators, you wouldn't gain efficiency:
2334 In CLN @samp{x += y;} is exactly the same as  @samp{x = x+y;}, not more
2335 efficient.
2336
2337
2338 @chapter Input/Output
2339 @cindex Input/Output
2340
2341 @section Internal and printed representation
2342 @cindex representation
2343
2344 All computations deal with the internal representations of the numbers.
2345
2346 Every number has an external representation as a sequence of ASCII characters.
2347 Several external representations may denote the same number, for example,
2348 "20.0" and "20.000".
2349
2350 Converting an internal to an external representation is called ``printing'',
2351 @cindex printing
2352 converting an external to an internal representation is called ``reading''.
2353 @cindex reading
2354 In CLN, it is always true that conversion of an internal to an external
2355 representation and then back to an internal representation will yield the
2356 same internal representation. Symbolically: @code{read(print(x)) == x}.
2357 This is called ``print-read consistency''. 
2358
2359 Different types of numbers have different external representations (case
2360 is insignificant):
2361
2362 @table @asis
2363 @item Integers
2364 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+. The reader also accepts the
2365 Common Lisp syntaxes @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{.} with a trailing dot
2366 for decimal integers
2367 and the @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes.
2368
2369 @item Rational numbers
2370 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{/}@{@var{digit}@}+.
2371 The @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes are allowed
2372 here as well.
2373
2374 @item Floating-point numbers
2375 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2376 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2377 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}+. A precision specifier
2378 of the form _@var{prec} may be appended. There must be at least
2379 one digit in the non-exponent part. The exponent has the syntax
2380 @var{expmarker} @var{expsign} @{@var{digit}@}+.
2381 The exponent marker is
2382
2383 @itemize @asis
2384 @item
2385 @samp{s} for short-floats,
2386 @item
2387 @samp{f} for single-floats,
2388 @item
2389 @samp{d} for double-floats,
2390 @item
2391 @samp{L} for long-floats,
2392 @end itemize
2393
2394 or @samp{e}, which denotes a default float format. The precision specifying
2395 suffix has the syntax _@var{prec} where @var{prec} denotes the number of
2396 valid mantissa digits (in decimal, excluding leading zeroes), cf. also
2397 function @samp{float_format}.
2398
2399 @item Complex numbers
2400 External representation:
2401 @itemize @asis
2402 @item
2403 In algebraic notation: @code{@var{realpart}+@var{imagpart}i}. Of course,
2404 if @var{imagpart} is negative, its printed representation begins with
2405 a @samp{-}, and the @samp{+} between @var{realpart} and @var{imagpart}
2406 may be omitted. Note that this notation cannot be used when the @var{imagpart}
2407 is rational and the rational number's base is >18, because the @samp{i}
2408 is then read as a digit.
2409 @item
2410 In Common Lisp notation: @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}.
2411 @end itemize
2412 @end table
2413
2414
2415 @section Input functions
2416
2417 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple input functions
2418 that read from @code{std::istream&}:
2419
2420 @table @code
2421 @item int freadchar (std::istream& stream)
2422 Reads a character from @code{stream}. Returns @code{cl_EOF} (not a @samp{char}!)
2423 if the end of stream was encountered or an error occurred.
2424
2425 @item int funreadchar (std::istream& stream, int c)
2426 Puts back @code{c} onto @code{stream}. @code{c} must be the result of the
2427 last @code{freadchar} operation on @code{stream}.
2428 @end table
2429
2430 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2431 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2432 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following input function:
2433
2434 @table @code
2435 @item std::istream& operator>> (std::istream& stream, @var{type}& result)
2436 Reads a number from @code{stream} and stores it in the @code{result}.
2437 @end table
2438
2439 The most flexible input functions, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2440 are the following:
2441
2442 @table @code
2443 @item cl_N read_complex (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2444 @itemx cl_R read_real (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2445 @itemx cl_F read_float (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2446 @itemx cl_RA read_rational (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2447 @itemx cl_I read_integer (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2448 Reads a number from @code{stream}. The @code{flags} are parameters which
2449 affect the input syntax. Whitespace before the number is silently skipped.
2450
2451 @item cl_N read_complex (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2452 @itemx cl_R read_real (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2453 @itemx cl_F read_float (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2454 @itemx cl_RA read_rational (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2455 @itemx cl_I read_integer (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2456 Reads a number from a string in memory. The @code{flags} are parameters which
2457 affect the input syntax. The string starts at @code{string} and ends at
2458 @code{string_limit} (exclusive limit). @code{string_limit} may also be
2459 @code{NULL}, denoting the entire string, i.e. equivalent to
2460 @code{string_limit = string + strlen(string)}. If @code{end_of_parse} is
2461 @code{NULL}, the string in memory must contain exactly one number and nothing
2462 more, else a fatal error will be signalled. If @code{end_of_parse}
2463 is not @code{NULL}, @code{*end_of_parse} will be assigned a pointer past
2464 the last parsed character (i.e. @code{string_limit} if nothing came after
2465 the number). Whitespace is not allowed.
2466 @end table
2467
2468 The structure @code{cl_read_flags} contains the following fields:
2469
2470 @table @code
2471 @item cl_read_syntax_t syntax
2472 The possible results of the read operation. Possible values are
2473 @code{syntax_number}, @code{syntax_real}, @code{syntax_rational},
2474 @code{syntax_integer}, @code{syntax_float}, @code{syntax_sfloat},
2475 @code{syntax_ffloat}, @code{syntax_dfloat}, @code{syntax_lfloat}.
2476
2477 @item cl_read_lsyntax_t lsyntax
2478 Specifies the language-dependent syntax variant for the read operation.
2479 Possible values are
2480
2481 @table @code
2482 @item lsyntax_standard
2483 accept standard algebraic notation only, no complex numbers,
2484 @item lsyntax_algebraic
2485 accept the algebraic notation @code{@var{x}+@var{y}i} for complex numbers,
2486 @item lsyntax_commonlisp
2487 accept the @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} syntaxes for binary, octal,
2488 hexadecimal numbers,
2489 @code{#@var{base}R} for rational numbers in a given base,
2490 @code{#c(@var{realpart} @var{imagpart})} for complex numbers,
2491 @item lsyntax_all
2492 accept all of these extensions.
2493 @end table
2494
2495 @item unsigned int rational_base
2496 The base in which rational numbers are read.
2497
2498 @item float_format_t float_flags.default_float_format
2499 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{e}.
2500
2501 @item float_format_t float_flags.default_lfloat_format
2502 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{l}.
2503
2504 @item cl_boolean float_flags.mantissa_dependent_float_format
2505 When this flag is true, floats specified with more digits than corresponding
2506 to the exponent marker they contain, but without @var{_nnn} suffix, will get a
2507 precision corresponding to their number of significant digits.
2508 @end table
2509
2510
2511 @section Output functions
2512
2513 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple output functions
2514 that write to @code{std::ostream&}:
2515
2516 @table @code
2517 @item void fprintchar (std::ostream& stream, char c)
2518 Prints the character @code{x} literally on the @code{stream}.
2519
2520 @item void fprint (std::ostream& stream, const char * string)
2521 Prints the @code{string} literally on the @code{stream}.
2522
2523 @item void fprintdecimal (std::ostream& stream, int x)
2524 @itemx void fprintdecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2525 Prints the integer @code{x} in decimal on the @code{stream}.
2526
2527 @item void fprintbinary (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2528 Prints the integer @code{x} in binary (base 2, without prefix)
2529 on the @code{stream}.
2530
2531 @item void fprintoctal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2532 Prints the integer @code{x} in octal (base 8, without prefix)
2533 on the @code{stream}.
2534
2535 @item void fprinthexadecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2536 Prints the integer @code{x} in hexadecimal (base 16, without prefix)
2537 on the @code{stream}.
2538 @end table
2539
2540 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2541 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2542 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following output functions:
2543
2544 @table @code
2545 @item void fprint (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2546 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2547 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2548 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2549 The @code{ostream} flags and settings (flags, width and locale) are
2550 ignored.
2551 @end table
2552
2553 The most flexible output function, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2554 are the following:
2555 @example
2556 void print_complex  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2557                      const cl_N& z);
2558 void print_real     (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2559                      const cl_R& z);
2560 void print_float    (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2561                      const cl_F& z);
2562 void print_rational (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2563                      const cl_RA& z);
2564 void print_integer  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2565                      const cl_I& z);
2566 @end example
2567 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The @code{flags} are
2568 parameters which affect the output.
2569
2570 The structure type @code{cl_print_flags} contains the following fields:
2571
2572 @table @code
2573 @item unsigned int rational_base
2574 The base in which rational numbers are printed. Default is @code{10}.
2575
2576 @item cl_boolean rational_readably
2577 If this flag is true, rational numbers are printed with radix specifiers in
2578 Common Lisp syntax (@code{#@var{n}R} or @code{#b} or @code{#o} or @code{#x}
2579 prefixes, trailing dot). Default is false.
2580
2581 @item cl_boolean float_readably
2582 If this flag is true, type specific exponent markers have precedence over 'E'.
2583 Default is false.
2584
2585 @item float_format_t default_float_format
2586 Floating point numbers of this format will be printed using the 'E' exponent
2587 marker. Default is @code{float_format_ffloat}.
2588
2589 @item cl_boolean complex_readably
2590 If this flag is true, complex numbers will be printed using the Common Lisp
2591 syntax @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}. Default is false.
2592
2593 @item cl_string univpoly_varname
2594 Univariate polynomials with no explicit indeterminate name will be printed
2595 using this variable name. Default is @code{"x"}.
2596 @end table
2597
2598 The global variable @code{default_print_flags} contains the default values,
2599 used by the function @code{fprint}.
2600
2601
2602 @chapter Rings
2603
2604 CLN has a class of abstract rings.
2605
2606 @example
2607                          Ring
2608                        cl_ring
2609                      <cln/ring.h>
2610 @end example
2611
2612 Rings can be compared for equality:
2613
2614 @table @code
2615 @item bool operator== (const cl_ring&, const cl_ring&)
2616 @itemx bool operator!= (const cl_ring&, const cl_ring&)
2617 These compare two rings for equality.
2618 @end table
2619
2620 Given a ring @code{R}, the following members can be used.
2621
2622 @table @code
2623 @item void R->fprint (std::ostream& stream, const cl_ring_element& x)
2624 @cindex @code{fprint ()}
2625 @itemx cl_boolean R->equal (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2626 @cindex @code{equal ()}
2627 @itemx cl_ring_element R->zero ()
2628 @cindex @code{zero ()}
2629 @itemx cl_boolean R->zerop (const cl_ring_element& x)
2630 @cindex @code{zerop ()}
2631 @itemx cl_ring_element R->plus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2632 @cindex @code{plus ()}
2633 @itemx cl_ring_element R->minus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2634 @cindex @code{minus ()}
2635 @itemx cl_ring_element R->uminus (const cl_ring_element& x)
2636 @cindex @code{uminus ()}
2637 @itemx cl_ring_element R->one ()
2638 @cindex @code{one ()}
2639 @itemx cl_ring_element R->canonhom (const cl_I& x)
2640 @cindex @code{canonhom ()}
2641 @itemx cl_ring_element R->mul (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2642 @cindex @code{mul ()}
2643 @itemx cl_ring_element R->square (const cl_ring_element& x)
2644 @cindex @code{square ()}
2645 @itemx cl_ring_element R->expt_pos (const cl_ring_element& x, const cl_I& y)
2646 @cindex @code{expt_pos ()}
2647 @end table
2648
2649 The following rings are built-in.
2650
2651 @table @code
2652 @item cl_null_ring cl_0_ring
2653 The null ring, containing only zero.
2654
2655 @item cl_complex_ring cl_C_ring
2656 The ring of complex numbers. This corresponds to the type @code{cl_N}.
2657
2658 @item cl_real_ring cl_R_ring
2659 The ring of real numbers. This corresponds to the type @code{cl_R}.
2660
2661 @item cl_rational_ring cl_RA_ring
2662 The ring of rational numbers. This corresponds to the type @code{cl_RA}.
2663
2664 @item cl_integer_ring cl_I_ring
2665 The ring of integers. This corresponds to the type @code{cl_I}.
2666 @end table
2667
2668 Type tests can be performed for any of @code{cl_C_ring}, @code{cl_R_ring},
2669 @code{cl_RA_ring}, @code{cl_I_ring}:
2670
2671 @table @code
2672 @item cl_boolean instanceof (const cl_number& x, const cl_number_ring& R)
2673 @cindex @code{instanceof ()}
2674 Tests whether the given number is an element of the number ring R.
2675 @end table
2676
2677
2678 @chapter Modular integers
2679 @cindex modular integer
2680
2681 @section Modular integer rings
2682 @cindex ring
2683
2684 CLN implements modular integers, i.e. integers modulo a fixed integer N.
2685 The modulus is explicitly part of every modular integer. CLN doesn't
2686 allow you to (accidentally) mix elements of different modular rings,
2687 e.g. @code{(3 mod 4) + (2 mod 5)} will result in a runtime error.
2688 (Ideally one would imagine a generic data type @code{cl_MI(N)}, but C++
2689 doesn't have generic types. So one has to live with runtime checks.)
2690
2691 The class of modular integer rings is
2692
2693 @example
2694                          Ring
2695                        cl_ring
2696                      <cln/ring.h>
2697                           |
2698                           |
2699                  Modular integer ring
2700                     cl_modint_ring
2701                   <cln/modinteger.h>
2702 @end example
2703 @cindex @code{cl_modint_ring}
2704
2705 and the class of all modular integers (elements of modular integer rings) is
2706
2707 @example
2708                     Modular integer
2709                          cl_MI
2710                    <cln/modinteger.h>
2711 @end example
2712
2713 Modular integer rings are constructed using the function
2714
2715 @table @code
2716 @item cl_modint_ring find_modint_ring (const cl_I& N)
2717 @cindex @code{find_modint_ring ()}
2718 This function returns the modular ring @samp{Z/NZ}. It takes care
2719 of finding out about special cases of @code{N}, like powers of two
2720 and odd numbers for which Montgomery multiplication will be a win,
2721 @cindex Montgomery multiplication
2722 and precomputes any necessary auxiliary data for computing modulo @code{N}.
2723 There is a cache table of rings, indexed by @code{N} (or, more precisely,
2724 by @code{abs(N)}). This ensures that the precomputation costs are reduced
2725 to a minimum.
2726 @end table
2727
2728 Modular integer rings can be compared for equality:
2729
2730 @table @code
2731 @item bool operator== (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2732 @cindex @code{operator == ()}
2733 @itemx bool operator!= (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2734 @cindex @code{operator != ()}
2735 These compare two modular integer rings for equality. Two different calls
2736 to @code{find_modint_ring} with the same argument necessarily return the
2737 same ring because it is memoized in the cache table.
2738 @end table
2739
2740 @section Functions on modular integers
2741
2742 Given a modular integer ring @code{R}, the following members can be used.
2743
2744 @table @code
2745 @item cl_I R->modulus
2746 @cindex @code{modulus}
2747 This is the ring's modulus, normalized to be nonnegative: @code{abs(N)}.
2748
2749 @item cl_MI R->zero()
2750 @cindex @code{zero ()}
2751 This returns @code{0 mod N}.
2752
2753 @item cl_MI R->one()
2754 @cindex @code{one ()}
2755 This returns @code{1 mod N}.
2756
2757 @item cl_MI R->canonhom (const cl_I& x)
2758 @cindex @code{canonhom ()}
2759 This returns @code{x mod N}.
2760
2761 @item cl_I R->retract (const cl_MI& x)
2762 @cindex @code{retract ()}
2763 This is a partial inverse function to @code{R->canonhom}. It returns the
2764 standard representative (@code{>=0}, @code{<N}) of @code{x}.
2765
2766 @item cl_MI R->random(random_state& randomstate)
2767 @itemx cl_MI R->random()
2768 @cindex @code{random ()}
2769 This returns a random integer modulo @code{N}.
2770 @end table
2771
2772 The following operations are defined on modular integers.
2773
2774 @table @code
2775 @item cl_modint_ring x.ring ()
2776 @cindex @code{ring ()}
2777 Returns the ring to which the modular integer @code{x} belongs.
2778
2779 @item cl_MI operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)
2780 @cindex @code{operator + ()}
2781 Returns the sum of two modular integers. One of the arguments may also
2782 be a plain integer.
2783
2784 @item cl_MI operator- (const cl_MI&, const cl_MI&)
2785 @cindex @code{operator - ()}
2786 Returns the difference of two modular integers. One of the arguments may also
2787 be a plain integer.
2788
2789 @item cl_MI operator- (const cl_MI&)
2790 Returns the negative of a modular integer.
2791
2792 @item cl_MI operator* (const cl_MI&, const cl_MI&)
2793 @cindex @code{operator * ()}
2794 Returns the product of two modular integers. One of the arguments may also
2795 be a plain integer.
2796
2797 @item cl_MI square (const cl_MI&)
2798 @cindex @code{square ()}
2799 Returns the square of a modular integer.
2800
2801 @item cl_MI recip (const cl_MI& x)
2802 @cindex @code{recip ()}
2803 Returns the reciprocal @code{x^-1} of a modular integer @code{x}. @code{x}
2804 must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2805
2806 @item cl_MI div (const cl_MI& x, const cl_MI& y)
2807 @cindex @code{div ()}
2808 Returns the quotient @code{x*y^-1} of two modular integers @code{x}, @code{y}.
2809 @code{y} must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2810
2811 @item cl_MI expt_pos (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2812 @cindex @code{expt_pos ()}
2813 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
2814
2815 @item cl_MI expt (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2816 @cindex @code{expt ()}
2817 Returns @code{x^y}. If @code{y} is negative, @code{x} must be coprime to the
2818 modulus, else an error message is issued.
2819
2820 @item cl_MI operator<< (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2821 @cindex @code{operator << ()}
2822 Returns @code{x*2^y}.
2823
2824 @item cl_MI operator>> (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2825 @cindex @code{operator >> ()}
2826 Returns @code{x*2^-y}. When @code{y} is positive, the modulus must be odd,
2827 or an error message is issued.
2828
2829 @item bool operator== (const cl_MI&, const cl_MI&)
2830 @cindex @code{operator == ()}
2831 @itemx bool operator!= (const cl_MI&, const cl_MI&)
2832 @cindex @code{operator != ()}
2833 Compares two modular integers, belonging to the same modular integer ring,
2834 for equality.
2835
2836 @item cl_boolean zerop (const cl_MI& x)
2837 @cindex @code{zerop ()}
2838 Returns true if @code{x} is @code{0 mod N}.
2839 @end table
2840
2841 The following output functions are defined (see also the chapter on
2842 input/output).
2843
2844 @table @code
2845 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2846 @cindex @code{fprint ()}
2847 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2848 @cindex @code{operator << ()}
2849 Prints the modular integer @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2850 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2851 @end table
2852
2853
2854 @chapter Symbolic data types
2855 @cindex symbolic type
2856
2857 CLN implements two symbolic (non-numeric) data types: strings and symbols.
2858
2859 @section Strings
2860 @cindex string
2861 @cindex @code{cl_string}
2862
2863 The class
2864
2865 @example
2866                       String
2867                      cl_string
2868                    <cln/string.h>
2869 @end example
2870
2871 implements immutable strings.
2872
2873 Strings are constructed through the following constructors:
2874
2875 @table @code
2876 @item cl_string (const char * s)
2877 Returns an immutable copy of the (zero-terminated) C string @code{s}.
2878
2879 @item cl_string (const char * ptr, unsigned long len)
2880 Returns an immutable copy of the @code{len} characters at
2881 @code{ptr[0]}, @dots{}, @code{ptr[len-1]}. NUL characters are allowed.
2882 @end table
2883
2884 The following functions are available on strings:
2885
2886 @table @code
2887 @item operator =
2888 Assignment from @code{cl_string} and @code{const char *}.
2889
2890 @item s.length()
2891 @cindex @code{length ()}
2892 @itemx strlen(s)
2893 @cindex @code{strlen ()}
2894 Returns the length of the string @code{s}.
2895
2896 @item s[i]
2897 @cindex @code{operator [] ()}
2898 Returns the @code{i}th character of the string @code{s}.
2899 @code{i} must be in the range @code{0 <= i < s.length()}.
2900
2901 @item bool equal (const cl_string& s1, const cl_string& s2)
2902 @cindex @code{equal ()}
2903 Compares two strings for equality. One of the arguments may also be a
2904 plain @code{const char *}.
2905 @end table
2906
2907 @section Symbols
2908 @cindex symbol
2909 @cindex @code{cl_symbol}
2910
2911 Symbols are uniquified strings: all symbols with the same name are shared.
2912 This means that comparison of two symbols is fast (effectively just a pointer
2913 comparison), whereas comparison of two strings must in the worst case walk
2914 both strings until their end.
2915 Symbols are used, for example, as tags for properties, as names of variables
2916 in polynomial rings, etc.
2917
2918 Symbols are constructed through the following constructor:
2919
2920 @table @code
2921 @item cl_symbol (const cl_string& s)
2922 Looks up or creates a new symbol with a given name.
2923 @end table
2924
2925 The following operations are available on symbols:
2926
2927 @table @code
2928 @item cl_string (const cl_symbol& sym)
2929 Conversion to @code{cl_string}: Returns the string which names the symbol
2930 @code{sym}.
2931
2932 @item bool equal (const cl_symbol& sym1, const cl_symbol& sym2)
2933 @cindex @code{equal ()}
2934 Compares two symbols for equality. This is very fast.
2935 @end table
2936
2937
2938 @chapter Univariate polynomials
2939 @cindex polynomial
2940 @cindex univariate polynomial
2941
2942 @section Univariate polynomial rings
2943
2944 CLN implements univariate polynomials (polynomials in one variable) over an
2945 arbitrary ring. The indeterminate variable may be either unnamed (and will be
2946 printed according to @code{default_print_flags.univpoly_varname}, which
2947 defaults to @samp{x}) or carry a given name. The base ring and the
2948 indeterminate are explicitly part of every polynomial. CLN doesn't allow you to
2949 (accidentally) mix elements of different polynomial rings, e.g.
2950 @code{(a^2+1) * (b^3-1)} will result in a runtime error. (Ideally this should
2951 return a multivariate polynomial, but they are not yet implemented in CLN.)
2952
2953 The classes of univariate polynomial rings are
2954
2955 @example
2956                            Ring
2957                          cl_ring
2958                        <cln/ring.h>
2959                             |
2960                             |
2961                  Univariate polynomial ring
2962                       cl_univpoly_ring
2963                       <cln/univpoly.h>
2964                             |
2965            +----------------+-------------------+
2966            |                |                   |
2967  Complex polynomial ring    |    Modular integer polynomial ring
2968  cl_univpoly_complex_ring   |        cl_univpoly_modint_ring
2969  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
2970                             |
2971            +----------------+
2972            |                |
2973    Real polynomial ring     |
2974    cl_univpoly_real_ring    |
2975    <cln/univpoly_real.h>    |
2976                             |
2977            +----------------+
2978            |                |
2979  Rational polynomial ring   |
2980  cl_univpoly_rational_ring  |
2981  <cln/univpoly_rational.h>  |
2982                             |
2983            +----------------+
2984            |
2985  Integer polynomial ring
2986  cl_univpoly_integer_ring
2987  <cln/univpoly_integer.h>
2988 @end example
2989
2990 and the corresponding classes of univariate polynomials are
2991
2992 @example
2993                    Univariate polynomial
2994                           cl_UP
2995                       <cln/univpoly.h>
2996                             |
2997            +----------------+-------------------+
2998            |                |                   |
2999    Complex polynomial       |      Modular integer polynomial
3000         cl_UP_N             |                cl_UP_MI
3001  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3002                             |
3003            +----------------+
3004            |                |
3005      Real polynomial        |
3006         cl_UP_R             |
3007   <cln/univpoly_real.h>     |
3008                             |
3009            +----------------+
3010            |                |
3011    Rational polynomial      |
3012         cl_UP_RA            |
3013  <cln/univpoly_rational.h>  |
3014                             |
3015            +----------------+
3016            |
3017    Integer polynomial
3018         cl_UP_I
3019  <cln/univpoly_integer.h>
3020 @end example
3021
3022 Univariate polynomial rings are constructed using the functions
3023
3024 @table @code
3025 @item cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R)
3026 @itemx cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R, const cl_symbol& varname)
3027 This function returns the polynomial ring @samp{R[X]}, unnamed or named.
3028 @code{R} may be an arbitrary ring. This function takes care of finding out
3029 about special cases of @code{R}, such as the rings of complex numbers,
3030 real numbers, rational numbers, integers, or modular integer rings.
3031 There is a cache table of rings, indexed by @code{R} and @code{varname}.
3032 This ensures that two calls of this function with the same arguments will
3033 return the same polynomial ring.
3034
3035 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R)
3036 @cindex @code{find_univpoly_ring ()}
3037 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R, const cl_symbol& varname)
3038 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R)
3039 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R, const cl_symbol& varname)
3040 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R)
3041 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R, const cl_symbol& varname)
3042 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R)
3043 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R, const cl_symbol& varname)
3044 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R)
3045 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R, const cl_symbol& varname)
3046 These functions are equivalent to the general @code{find_univpoly_ring},
3047 only the return type is more specific, according to the base ring's type.
3048 @end table
3049
3050 @section Functions on univariate polynomials
3051
3052 Given a univariate polynomial ring @code{R}, the following members can be used.
3053
3054 @table @code
3055 @item cl_ring R->basering()
3056 @cindex @code{basering ()}
3057 This returns the base ring, as passed to @samp{find_univpoly_ring}.
3058
3059 @item cl_UP R->zero()
3060 @cindex @code{zero ()}
3061 This returns @code{0 in R}, a polynomial of degree -1.
3062
3063 @item cl_UP R->one()
3064 @cindex @code{one ()}
3065 This returns @code{1 in R}, a polynomial of degree == 0.
3066
3067 @item cl_UP R->canonhom (const cl_I& x)
3068 @cindex @code{canonhom ()}
3069 This returns @code{x in R}, a polynomial of degree <= 0.
3070
3071 @item cl_UP R->monomial (const cl_ring_element& x, uintL e)
3072 @cindex @code{monomial ()}
3073 This returns a sparse polynomial: @code{x * X^e}, where @code{X} is the
3074 indeterminate.
3075
3076 @item cl_UP R->create (sintL degree)
3077 @cindex @code{create ()}
3078 Creates a new polynomial with a given degree. The zero polynomial has degree
3079 @code{-1}. After creating the polynomial, you should put in the coefficients,
3080 using the @code{set_coeff} member function, and then call the @code{finalize}
3081 member function.
3082 @end table
3083
3084 The following are the only destructive operations on univariate polynomials.
3085
3086 @table @code
3087 @item void set_coeff (cl_UP& x, uintL index, const cl_ring_element& y)
3088 @cindex @code{set_coeff ()}
3089 This changes the coefficient of @code{X^index} in @code{x} to be @code{y}.
3090 After changing a polynomial and before applying any "normal" operation on it,
3091 you should call its @code{finalize} member function.
3092
3093 @item void finalize (cl_UP& x)
3094 @cindex @code{finalize ()}
3095 This function marks the endpoint of destructive modifications of a polynomial.
3096 It normalizes the internal representation so that subsequent computations have
3097 less overhead. Doing normal computations on unnormalized polynomials may
3098 produce wrong results or crash the program.
3099 @end table
3100
3101 The following operations are defined on univariate polynomials.
3102
3103 @table @code
3104 @item cl_univpoly_ring x.ring ()
3105 @cindex @code{ring ()}
3106 Returns the ring to which the univariate polynomial @code{x} belongs.
3107
3108 @item cl_UP operator+ (const cl_UP&, const cl_UP&)
3109 @cindex @code{operator + ()}
3110 Returns the sum of two univariate polynomials.
3111
3112 @item cl_UP operator- (const cl_UP&, const cl_UP&)
3113 @cindex @code{operator - ()}
3114 Returns the difference of two univariate polynomials.
3115
3116 @item cl_UP operator- (const cl_UP&)
3117 Returns the negative of a univariate polynomial.
3118
3119 @item cl_UP operator* (const cl_UP&, const cl_UP&)
3120 @cindex @code{operator * ()}
3121 Returns the product of two univariate polynomials. One of the arguments may
3122 also be a plain integer or an element of the base ring.
3123
3124 @item cl_UP square (const cl_UP&)
3125 @cindex @code{square ()}
3126 Returns the square of a univariate polynomial.
3127
3128 @item cl_UP expt_pos (const cl_UP& x, const cl_I& y)
3129 @cindex @code{expt_pos ()}
3130 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3131
3132 @item bool operator== (const cl_UP&, const cl_UP&)
3133 @cindex @code{operator == ()}
3134 @itemx bool operator!= (const cl_UP&, const cl_UP&)
3135 @cindex @code{operator != ()}
3136 Compares two univariate polynomials, belonging to the same univariate
3137 polynomial ring, for equality.
3138
3139 @item cl_boolean zerop (const cl_UP& x)
3140 @cindex @code{zerop ()}
3141 Returns true if @code{x} is @code{0 in R}.
3142
3143 @item sintL degree (const cl_UP& x)
3144 @cindex @code{degree ()}
3145 Returns the degree of the polynomial. The zero polynomial has degree @code{-1}.
3146
3147 @item sintL ldegree (const cl_UP& x)
3148 @cindex @code{degree ()}
3149 Returns the low degree of the polynomial. This is the degree of the first
3150 non-vanishing polynomial coefficient. The zero polynomial has ldegree @code{-1}.
3151
3152 @item cl_ring_element coeff (const cl_UP& x, uintL index)
3153 @cindex @code{coeff ()}
3154 Returns the coefficient of @code{X^index} in the polynomial @code{x}.
3155
3156 @item cl_ring_element x (const cl_ring_element& y)
3157 @cindex @code{operator () ()}
3158 Evaluation: If @code{x} is a polynomial and @code{y} belongs to the base ring,
3159 then @samp{x(y)} returns the value of the substitution of @code{y} into
3160 @code{x}.
3161
3162 @item cl_UP deriv (const cl_UP& x)
3163 @cindex @code{deriv ()}
3164 Returns the derivative of the polynomial @code{x} with respect to the
3165 indeterminate @code{X}.
3166 @end table
3167
3168 The following output functions are defined (see also the chapter on
3169 input/output).
3170
3171 @table @code
3172 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3173 @cindex @code{fprint ()}
3174 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3175 @cindex @code{operator << ()}
3176 Prints the univariate polynomial @code{x} on the @code{stream}. The output may
3177 depend on the global printer settings in the variable
3178 @code{default_print_flags}.
3179 @end table
3180
3181 @section Special polynomials
3182
3183 The following functions return special polynomials.
3184
3185 @table @code
3186 @item cl_UP_I tschebychev (sintL n)
3187 @cindex @code{tschebychev ()}
3188 @cindex Chebyshev polynomial
3189 Returns the n-th Chebyshev polynomial (n >= 0).
3190
3191 @item cl_UP_I hermite (sintL n)
3192 @cindex @code{hermite ()}
3193 @cindex Hermite polynomial
3194 Returns the n-th Hermite polynomial (n >= 0).
3195
3196 @item cl_UP_RA legendre (sintL n)
3197 @cindex @code{legendre ()}
3198 @cindex Legende polynomial
3199 Returns the n-th Legendre polynomial (n >= 0).
3200
3201 @item cl_UP_I laguerre (sintL n)
3202 @cindex @code{laguerre ()}
3203 @cindex Laguerre polynomial
3204 Returns the n-th Laguerre polynomial (n >= 0).
3205 @end table
3206
3207 Information how to derive the differential equation satisfied by each
3208 of these polynomials from their definition can be found in the
3209 @code{doc/polynomial/} directory.
3210
3211
3212 @chapter Internals
3213
3214 @section Why C++ ?
3215 @cindex advocacy
3216
3217 Using C++ as an implementation language provides
3218
3219 @itemize @bullet
3220 @item
3221 Efficiency: It compiles to machine code.
3222
3223 @item
3224 @cindex portability
3225 Portability: It runs on all platforms supporting a C++ compiler. Because
3226 of the availability of GNU C++, this includes all currently used 32-bit and
3227 64-bit platforms, independently of the quality of the vendor's C++ compiler.
3228
3229 @item
3230 Type safety: The C++ compilers knows about the number types and complains if,
3231 for example, you try to assign a float to an integer variable. However,
3232 a drawback is that C++ doesn't know about generic types, hence a restriction
3233 like that @code{operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)} requires that both
3234 arguments belong to the same modular ring cannot be expressed as a compile-time
3235 information.
3236
3237 @item
3238 Algebraic syntax: The elementary operations @code{+}, @code{-}, @code{*},
3239 @code{=}, @code{==}, ... can be used in infix notation, which is more
3240 convenient than Lisp notation @samp{(+ x y)} or C notation @samp{add(x,y,&z)}.
3241 @end itemize
3242
3243 With these language features, there is no need for two separate languages,
3244 one for the implementation of the library and one in which the library's users
3245 can program. This means that a prototype implementation of an algorithm
3246 can be integrated into the library immediately after it has been tested and
3247 debugged. No need to rewrite it in a low-level language after having prototyped
3248 in a high-level language.
3249
3250
3251 @section Memory efficiency
3252
3253 In order to save memory allocations, CLN implements:
3254
3255 @itemize @bullet
3256 @item
3257 Object sharing: An operation like @code{x+0} returns @code{x} without copying
3258 it.
3259 @item
3260 @cindex garbage collection
3261 @cindex reference counting
3262 Garbage collection: A reference counting mechanism makes sure that any
3263 number object's storage is freed immediately when the last reference to the
3264 object is gone.
3265 @item
3266 @cindex immediate numbers
3267 Small integers are represented as immediate values instead of pointers
3268 to heap allocated storage. This means that integers @code{> -2^29},
3269 @code{< 2^29} don't consume heap memory, unless they were explicitly allocated
3270 on the heap.
3271 @end itemize
3272
3273
3274 @section Speed efficiency
3275
3276 Speed efficiency is obtained by the combination of the following tricks
3277 and algorithms:
3278
3279 @itemize @bullet
3280 @item
3281 Small integers, being represented as immediate values, don't require
3282 memory access, just a couple of instructions for each elementary operation.
3283 @item
3284 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
3285 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
3286 @item
3287 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
3288 routines from GNU GMP version 3.
3289 @item
3290 For large numbers, CLN uses, instead of the standard @code{O(N^2)}
3291 algorithm, the Karatsuba multiplication, which is an
3292 @iftex
3293 @tex
3294 $O(N^{1.6})$
3295 @end tex
3296 @end iftex
3297 @ifinfo
3298 @code{O(N^1.6)}
3299 @end ifinfo
3300 algorithm.
3301 @item
3302 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), CLN uses
3303 @iftex
3304 Sch{@"o}nhage-Strassen
3305 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
3306 @end iftex
3307 @ifinfo
3308 Schnhage-Strassen
3309 @cindex Schnhage-Strassen multiplication
3310 @end ifinfo
3311 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication 
3312 algorithm.
3313 @item
3314 These fast multiplication algorithms also give improvements in the speed
3315 of division and radix conversion.
3316 @end itemize
3317
3318
3319 @section Garbage collection
3320 @cindex garbage collection
3321
3322 All the number classes are reference count classes: They only contain a pointer
3323 to an object in the heap. Upon construction, assignment and destruction of
3324 number objects, only the objects' reference count are manipulated.
3325
3326 Memory occupied by number objects are automatically reclaimed as soon as
3327 their reference count drops to zero.
3328
3329 For number rings, another strategy is implemented: There is a cache of,
3330 for example, the modular integer rings. A modular integer ring is destroyed
3331 only if its reference count dropped to zero and the cache is about to be
3332 resized. The effect of this strategy is that recently used rings remain
3333 cached, whereas undue memory consumption through cached rings is avoided.
3334
3335
3336 @chapter Using the library
3337
3338 For the following discussion, we will assume that you have installed
3339 the CLN source in @code{$CLN_DIR} and built it in @code{$CLN_TARGETDIR}.
3340 For example, for me it's @code{CLN_DIR="$HOME/cln"} and
3341 @code{CLN_TARGETDIR="$HOME/cln/linuxelf"}. You might define these as
3342 environment variables, or directly substitute the appropriate values.
3343
3344
3345 @section Compiler options
3346 @cindex compiler options
3347
3348 Until you have installed CLN in a public place, the following options are
3349 needed:
3350
3351 When you compile CLN application code, add the flags
3352 @example
3353    -I$CLN_DIR/include -I$CLN_TARGETDIR/include
3354 @end example
3355 to the C++ compiler's command line (@code{make} variable CFLAGS or CXXFLAGS).
3356 When you link CLN application code to form an executable, add the flags
3357 @example
3358    $CLN_TARGETDIR/src/libcln.a
3359 @end example
3360 to the C/C++ compiler's command line (@code{make} variable LIBS).
3361
3362 If you did a @code{make install}, the include files are installed in a
3363 public directory (normally @code{/usr/local/include}), hence you don't
3364 need special flags for compiling. The library has been installed to a
3365 public directory as well (normally @code{/usr/local/lib}), hence when
3366 linking a CLN application it is sufficient to give the flag @code{-lcln}.
3367
3368 Since CLN version 1.1, there are two tools to make the creation of
3369 software packages that use CLN easier:
3370 @itemize @bullet
3371 @item
3372 @cindex @code{cln-config}
3373 @code{cln-config} is a shell script that you can use to determine the
3374 compiler and linker command line options required to compile and link a
3375 program with CLN.  Start it with @code{--help} to learn about its options
3376 or consult the manpage that comes with it.
3377 @item
3378 @cindex @code{AC_PATH_CLN}
3379 @code{AC_PATH_CLN} is for packages configured using GNU automake.
3380 The synopsis is:
3381 @example
3382 @code{AC_PATH_CLN([@var{MIN-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])}
3383 @end example
3384 This macro determines the location of CLN using @code{cln-config}, which
3385 is either found in the user's path, or from the environment variable
3386 @code{CLN_CONFIG}.  It tests the installed libraries to make sure that
3387 their version is not earlier than @var{MIN-VERSION} (a default version
3388 will be used if not specified). If the required version was found, sets
3389 the @env{CLN_CPPFLAGS} and the @env{CLN_LIBS} variables. This
3390 macro is in the file @file{cln.m4} which is installed in
3391 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
3392 different @samp{--prefix} than CLN, you will either have to manually
3393 move @file{cln.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
3394 aclocal the @samp{-I} option when running it. Here is a possible example
3395 to be included in your package's @file{configure.ac}:
3396 @example
3397 AC_PATH_CLN(1.1.0, [
3398   LIBS="$LIBS $CLN_LIBS"
3399   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $CLN_CPPFLAGS"
3400 ], AC_MSG_ERROR([No suitable installed version of CLN could be found.]))
3401 @end example
3402 @end itemize
3403
3404
3405 @section Compatibility to old CLN versions
3406 @cindex namespace
3407 @cindex compatibility
3408
3409 As of CLN version 1.1 all non-macro identifiers were hidden in namespace
3410 @code{cln} in order to avoid potential name clashes with other C++
3411 libraries. If you have an old application, you will have to manually
3412 port it to the new scheme. The following principles will help during
3413 the transition:
3414 @itemize @bullet
3415 @item
3416 All headers are now in a separate subdirectory. Instead of including
3417 @code{cl_}@var{something}@code{.h}, include
3418 @code{cln/}@var{something}@code{.h} now.
3419 @item
3420 All public identifiers (typenames and functions) have lost their
3421 @code{cl_} prefix.  Exceptions are all the typenames of number types,
3422 (cl_N, cl_I, cl_MI, @dots{}), rings, symbolic types (cl_string,
3423 cl_symbol) and polynomials (cl_UP_@var{type}).  (This is because their
3424 names would not be mnemonic enough once the namespace @code{cln} is
3425 imported. Even in a namespace we favor @code{cl_N} over @code{N}.)
3426 @item
3427 All public @emph{functions} that had by a @code{cl_} in their name still
3428 carry that @code{cl_} if it is intrinsic part of a typename (as in
3429 @code{cl_I_to_int ()}).
3430 @end itemize
3431 When developing other libraries, please keep in mind not to import the
3432 namespace @code{cln} in one of your public header files by saying
3433 @code{using namespace cln;}. This would propagate to other applications
3434 and can cause name clashes there.
3435
3436
3437 @section Include files
3438 @cindex include files
3439 @cindex header files
3440
3441 Here is a summary of the include files and their contents.
3442
3443 @table @code
3444 @item <cln/object.h>
3445 General definitions, reference counting, garbage collection.
3446 @item <cln/number.h>
3447 The class cl_number.
3448 @item <cln/complex.h>
3449 Functions for class cl_N, the complex numbers.
3450 @item <cln/real.h>
3451 Functions for class cl_R, the real numbers.
3452 @item <cln/float.h>
3453 Functions for class cl_F, the floats.
3454 @item <cln/sfloat.h>
3455 Functions for class cl_SF, the short-floats.
3456 @item <cln/ffloat.h>
3457 Functions for class cl_FF, the single-floats.
3458 @item <cln/dfloat.h>
3459 Functions for class cl_DF, the double-floats.
3460 @item <cln/lfloat.h>
3461 Functions for class cl_LF, the long-floats.
3462 @item <cln/rational.h>
3463 Functions for class cl_RA, the rational numbers.
3464 @item <cln/integer.h>
3465 Functions for class cl_I, the integers.
3466 @item <cln/io.h>
3467 Input/Output.
3468 @item <cln/complex_io.h>
3469 Input/Output for class cl_N, the complex numbers.
3470 @item <cln/real_io.h>
3471 Input/Output for class cl_R, the real numbers.
3472 @item <cln/float_io.h>
3473 Input/Output for class cl_F, the floats.
3474 @item <cln/sfloat_io.h>
3475 Input/Output for class cl_SF, the short-floats.
3476 @item <cln/ffloat_io.h>
3477 Input/Output for class cl_FF, the single-floats.
3478 @item <cln/dfloat_io.h>
3479 Input/Output for class cl_DF, the double-floats.
3480 @item <cln/lfloat_io.h>
3481 Input/Output for class cl_LF, the long-floats.
3482 @item <cln/rational_io.h>
3483 Input/Output for class cl_RA, the rational numbers.
3484 @item <cln/integer_io.h>
3485 Input/Output for class cl_I, the integers.
3486 @item <cln/input.h>
3487 Flags for customizing input operations.
3488 @item <cln/output.h>
3489 Flags for customizing output operations.
3490 @item <cln/malloc.h>
3491 @code{malloc_hook}, @code{free_hook}.
3492 @item <cln/abort.h>
3493 @code{cl_abort}.
3494 @item <cln/condition.h>
3495 Conditions/exceptions.
3496 @item <cln/string.h>
3497 Strings.
3498 @item <cln/symbol.h>
3499 Symbols.
3500 @item <cln/proplist.h>
3501 Property lists.
3502 @item <cln/ring.h>
3503 General rings.
3504 @item <cln/null_ring.h>
3505 The null ring.
3506 @item <cln/complex_ring.h>
3507 The ring of complex numbers.
3508 @item <cln/real_ring.h>
3509 The ring of real numbers.
3510 @item <cln/rational_ring.h>
3511 The ring of rational numbers.
3512 @item <cln/integer_ring.h>
3513 The ring of integers.
3514 @item <cln/numtheory.h>
3515 Number threory functions.
3516 @item <cln/modinteger.h>
3517 Modular integers.
3518 @item <cln/V.h>
3519 Vectors.
3520 @item <cln/GV.h>
3521 General vectors.
3522 @item <cln/GV_number.h>
3523 General vectors over cl_number.
3524 @item <cln/GV_complex.h>
3525 General vectors over cl_N.
3526 @item <cln/GV_real.h>
3527 General vectors over cl_R.
3528 @item <cln/GV_rational.h>
3529 General vectors over cl_RA.
3530 @item <cln/GV_integer.h>
3531 General vectors over cl_I.
3532 @item <cln/GV_modinteger.h>
3533 General vectors of modular integers.
3534 @item <cln/SV.h>
3535 Simple vectors.
3536 @item <cln/SV_number.h>
3537 Simple vectors over cl_number.
3538 @item <cln/SV_complex.h>
3539 Simple vectors over cl_N.
3540 @item <cln/SV_real.h>
3541 Simple vectors over cl_R.
3542 @item <cln/SV_rational.h>
3543 Simple vectors over cl_RA.
3544 @item <cln/SV_integer.h>
3545 Simple vectors over cl_I.
3546 @item <cln/SV_ringelt.h>
3547 Simple vectors of general ring elements.
3548 @item <cln/univpoly.h>
3549 Univariate polynomials.
3550 @item <cln/univpoly_integer.h>
3551 Univariate polynomials over the integers.
3552 @item <cln/univpoly_rational.h>
3553 Univariate polynomials over the rational numbers.
3554 @item <cln/univpoly_real.h>
3555 Univariate polynomials over the real numbers.
3556 @item <cln/univpoly_complex.h>
3557 Univariate polynomials over the complex numbers.
3558 @item <cln/univpoly_modint.h>
3559 Univariate polynomials over modular integer rings.
3560 @item <cln/timing.h>
3561 Timing facilities.
3562 @item <cln/cln.h>
3563 Includes all of the above.
3564 @end table
3565
3566
3567 @section An Example
3568
3569 A function which computes the nth Fibonacci number can be written as follows.
3570 @cindex Fibonacci number
3571
3572 @example
3573 #include <cln/integer.h>
3574 #include <cln/real.h>
3575 using namespace cln;
3576
3577 // Returns F_n, computed as the nearest integer to
3578 // ((1+sqrt(5))/2)^n/sqrt(5). Assume n>=0.
3579 const cl_I fibonacci (int n)
3580 @{
3581         // Need a precision of ((1+sqrt(5))/2)^-n.
3582         float_format_t prec = float_format((int)(0.208987641*n+5));
3583         cl_R sqrt5 = sqrt(cl_float(5,prec));
3584         cl_R phi = (1+sqrt5)/2;
3585         return round1( expt(phi,n)/sqrt5 );
3586 @}
3587 @end example
3588
3589 Let's explain what is going on in detail.
3590
3591 The include file @code{<cln/integer.h>} is necessary because the type
3592 @code{cl_I} is used in the function, and the include file @code{<cln/real.h>}
3593 is needed for the type @code{cl_R} and the floating point number functions.
3594 The order of the include files does not matter.  In order not to write
3595 out @code{cln::}@var{foo} in this simple example we can safely import
3596 the whole namespace @code{cln}.
3597
3598 Then comes the function declaration. The argument is an @code{int}, the
3599 result an integer. The return type is defined as @samp{const cl_I}, not
3600 simply @samp{cl_I}, because that allows the compiler to detect typos like
3601 @samp{fibonacci(n) = 100}. It would be possible to declare the return
3602 type as @code{const cl_R} (real number) or even @code{const cl_N} (complex
3603 number). We use the most specialized possible return type because functions
3604 which call @samp{fibonacci} will be able to profit from the compiler's type
3605 analysis: Adding two integers is slightly more efficient than adding the
3606 same objects declared as complex numbers, because it needs less type
3607 dispatch. Also, when linking to CLN as a non-shared library, this minimizes
3608 the size of the resulting executable program.
3609
3610 The result will be computed as expt(phi,n)/sqrt(5), rounded to the nearest
3611 integer. In order to get a correct result, the absolute error should be less
3612 than 1/2, i.e. the relative error should be less than sqrt(5)/(2*expt(phi,n)).
3613 To this end, the first line computes a floating point precision for sqrt(5)
3614 and phi.
3615
3616 Then sqrt(5) is computed by first converting the integer 5 to a floating point
3617 number and than taking the square root. The converse, first taking the square
3618 root of 5, and then converting to the desired precision, would not work in
3619 CLN: The square root would be computed to a default precision (normally
3620 single-float precision), and the following conversion could not help about
3621 the lacking accuracy. This is because CLN is not a symbolic computer algebra
3622 system and does not represent sqrt(5) in a non-numeric way.
3623
3624 The type @code{cl_R} for sqrt5 and, in the following line, phi is the only
3625 possible choice. You cannot write @code{cl_F} because the C++ compiler can
3626 only infer that @code{cl_float(5,prec)} is a real number. You cannot write
3627 @code{cl_N} because a @samp{round1} does not exist for general complex
3628 numbers.
3629
3630 When the function returns, all the local variables in the function are
3631 automatically reclaimed (garbage collected). Only the result survives and
3632 gets passed to the caller.
3633
3634 The file @code{fibonacci.cc} in the subdirectory @code{examples}
3635 contains this implementation together with an even faster algorithm.
3636
3637 @section Debugging support
3638 @cindex debugging
3639
3640 When debugging a CLN application with GNU @code{gdb}, two facilities are
3641 available from the library:
3642
3643 @itemize @bullet
3644 @item The library does type checks, range checks, consistency checks at
3645 many places. When one of these fails, the function @code{cl_abort()} is
3646 called. Its default implementation is to perform an @code{exit(1)}, so
3647 you won't have a core dump. But for debugging, it is best to set a
3648 breakpoint at this function:
3649 @example
3650 (gdb) break cl_abort
3651 @end example
3652 When this breakpoint is hit, look at the stack's backtrace:
3653 @example
3654 (gdb) where
3655 @end example
3656
3657 @item The debugger's normal @code{print} command doesn't know about
3658 CLN's types and therefore prints mostly useless hexadecimal addresses.
3659 CLN offers a function @code{cl_print}, callable from the debugger,
3660 for printing number objects. In order to get this function, you have
3661 to define the macro @samp{CL_DEBUG} and then include all the header files
3662 for which you want @code{cl_print} debugging support. For example:
3663 @cindex @code{CL_DEBUG}
3664 @example
3665 #define CL_DEBUG
3666 #include <cln/string.h>
3667 @end example
3668 Now, if you have in your program a variable @code{cl_string s}, and
3669 inspect it under @code{gdb}, the output may look like this:
3670 @example
3671 (gdb) print s
3672 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3673   word = 134568800@}@}, @}
3674 (gdb) call cl_print(s)
3675 (cl_string) ""
3676 $8 = 134568800
3677 @end example
3678 Note that the output of @code{cl_print} goes to the program's error output,
3679 not to gdb's standard output.
3680
3681 Note, however, that the above facility does not work with all CLN types,
3682 only with number objects and similar. Therefore CLN offers a member function
3683 @code{debug_print()} on all CLN types. The same macro @samp{CL_DEBUG}
3684 is needed for this member function to be implemented. Under @code{gdb},
3685 you call it like this:
3686 @cindex @code{debug_print ()}
3687 @example
3688 (gdb) print s
3689 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3690   word = 134568800@}@}, @}
3691 (gdb) call s.debug_print()
3692 (cl_string) ""
3693 (gdb) define cprint
3694 >call ($1).debug_print()
3695 >end
3696 (gdb) cprint s
3697 (cl_string) ""
3698 @end example
3699 Unfortunately, this feature does not seem to work under all circumstances.
3700 @end itemize
3701
3702
3703 @chapter Customizing
3704 @cindex customizing
3705
3706 @section Error handling
3707
3708 When a fatal error occurs, an error message is output to the standard error
3709 output stream, and the function @code{cl_abort} is called. The default
3710 version of this function (provided in the library) terminates the application.
3711 To catch such a fatal error, you need to define the function @code{cl_abort}
3712 yourself, with the prototype
3713 @example
3714 #include <cln/abort.h>
3715 void cl_abort (void);
3716 @end example
3717 @cindex @code{cl_abort ()}
3718 This function must not return control to its caller.
3719
3720
3721 @section Floating-point underflow
3722 @cindex underflow
3723
3724 Floating point underflow denotes the situation when a floating-point number
3725 is to be created which is so close to @code{0} that its exponent is too
3726 low to be represented internally. By default, this causes a fatal error.
3727 If you set the global variable
3728 @example
3729 cl_boolean cl_inhibit_floating_point_underflow
3730 @end example
3731 to @code{cl_true}, the error will be inhibited, and a floating-point zero
3732 will be generated instead.  The default value of 
3733 @code{cl_inhibit_floating_point_underflow} is @code{cl_false}.
3734
3735
3736 @section Customizing I/O
3737
3738 The output of the function @code{fprint} may be customized by changing the
3739 value of the global variable @code{default_print_flags}.
3740 @cindex @code{default_print_flags}
3741
3742
3743 @section Customizing the memory allocator
3744
3745 Every memory allocation of CLN is done through the function pointer
3746 @code{malloc_hook}. Freeing of this memory is done through the function
3747 pointer @code{free_hook}. The default versions of these functions,
3748 provided in the library, call @code{malloc} and @code{free} and check
3749 the @code{malloc} result against @code{NULL}.
3750 If you want to provide another memory allocator, you need to define
3751 the variables @code{malloc_hook} and @code{free_hook} yourself,
3752 like this:
3753 @example
3754 #include <cln/malloc.h>
3755 namespace cln @{
3756         void* (*malloc_hook) (size_t size) = @dots{};
3757         void (*free_hook) (void* ptr)      = @dots{};
3758 @}
3759 @end example
3760 @cindex @code{malloc_hook ()}
3761 @cindex @code{free_hook ()}
3762 The @code{cl_malloc_hook} function must not return a @code{NULL} pointer.
3763
3764 It is not possible to change the memory allocator at runtime, because
3765 it is already called at program startup by the constructors of some
3766 global variables.
3767
3768
3769
3770
3771 @c Indices
3772
3773 @unnumbered Index
3774
3775 @printindex my
3776
3777
3778 @bye