]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/cln.texi
Fix integer input with leading zeros in power-of-two base.
[cln.git] / doc / cln.texi
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 I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
7 @c For `info' and TeX only.
8 @paragraphindent 0
9 @c %**end of header
10
11 @dircategory Mathematics
12 @direntry
13 * CLN: (cln).                       Class Library for Numbers (C++).
14 @end direntry
15
16 @c My own index.
17 @defindex my
18 @c Don't need the other types of indices.
19 @synindex cp my
20 @synindex fn my
21 @synindex vr my
22 @synindex ky my
23 @synindex pg my
24 @synindex tp my
25
26 @ifnottex
27 @node Top
28 @top CLN
29 @end ifnottex
30
31 @c For `info' only.
32 @ifnottex
33 This manual documents @sc{cln}, a Class Library for Numbers.
34
35 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
36 Richard B. Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
37
38 Copyright (C)  Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008.
39 Copyright (C)  Richard B. Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012.
40 Copyright (C)  Alexei Sheplyakov 2008, 2010.
41
42 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
43 this manual provided the copyright notice and this permission notice
44 are preserved on all copies.
45
46 @ignore
47 Permission is granted to process this file through TeX and print the
48 results, provided the printed document carries copying permission
49 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
50 (this paragraph not being relevant to the printed manual).
51
52 @end ignore
53 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
54 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
55 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
56 notice identical to this one.
57
58 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
59 into another language, under the above conditions for modified versions,
60 except that this permission notice may be stated in a translation approved
61 by the author.
62 @end ifnottex
63
64
65 @c For TeX only.
66 @c prevent ugly black rectangles on overfull hbox lines:
67 @finalout
68 @titlepage
69 @title CLN, a Class Library for Numbers
70
71 @author @uref{http://www.ginac.de/CLN}
72 @page
73 @vskip 0pt plus 1filll
74 Copyright @copyright{} Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008.
75 @sp 0
76 Copyright @copyright{} Richard B. Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011.
77 Copyright @copyright{} Alexei Sheplyakov 2008, 2010.
78
79 @sp 2
80 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
81 Richard B. Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
82
83 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
84 this manual provided the copyright notice and this permission notice
85 are preserved on all copies.
86
87 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
88 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
89 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
90 notice identical to this one.
91
92 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
93 into another language, under the above conditions for modified versions,
94 except that this permission notice may be stated in a translation approved
95 by the authors.
96
97 @end titlepage
98 @page
99
100 @iftex
101 @c Table of contents
102 @contents
103 @end iftex
104
105
106 @menu
107 * Introduction::                
108 * Installation::                
109 * Ordinary number types::       
110 * Functions on numbers::        
111 * Input/Output::                
112 * Rings::                       
113 * Modular integers::            
114 * Symbolic data types::         
115 * Univariate polynomials::      
116 * Internals::                   
117 * Using the library::           
118 * Customizing::                 
119 * Index::
120
121  --- The Detailed Node Listing ---
122
123 Installation
124
125 * Prerequisites::               
126 * Building the library::        
127 * Installing the library::      
128 * Cleaning up::                 
129
130 Prerequisites
131
132 * C++ compiler::                
133 * Make utility::                
134 * Sed utility::                 
135
136 Building the library
137
138 * Using the GNU MP Library::    
139
140 Ordinary number types
141
142 * Exact numbers::               
143 * Floating-point numbers::      
144 * Complex numbers::             
145 * Conversions::                 
146
147 Functions on numbers
148
149 * Constructing numbers::        
150 * Elementary functions::        
151 * Elementary rational functions::  
152 * Elementary complex functions::  
153 * Comparisons::                 
154 * Rounding functions::          
155 * Roots::                       
156 * Transcendental functions::    
157 * Functions on integers::       
158 * Functions on floating-point numbers::  
159 * Conversion functions::        
160 * Random number generators::    
161 * Modifying operators::       
162
163 Constructing numbers
164
165 * Constructing integers::       
166 * Constructing rational numbers::  
167 * Constructing floating-point numbers::  
168 * Constructing complex numbers::  
169
170 Transcendental functions
171
172 * Exponential and logarithmic functions::  
173 * Trigonometric functions::     
174 * Hyperbolic functions::        
175 * Euler gamma::                 
176 * Riemann zeta::                
177
178 Functions on integers
179
180 * Logical functions::           
181 * Number theoretic functions::  
182 * Combinatorial functions::     
183
184 Conversion functions
185
186 * Conversion to floating-point numbers::  
187 * Conversion to rational numbers::  
188
189 Input/Output
190
191 * Internal and printed representation::  
192 * Input functions::             
193 * Output functions::            
194
195 Modular integers
196
197 * Modular integer rings::       
198 * Functions on modular integers::  
199
200 Symbolic data types
201
202 * Strings::                     
203 * Symbols::                     
204
205 Univariate polynomials
206
207 * Univariate polynomial rings::  
208 * Functions on univariate polynomials::  
209 * Special polynomials::         
210
211 Internals
212
213 * Why C++ ?::                   
214 * Memory efficiency::           
215 * Speed efficiency::            
216 * Garbage collection::          
217
218 Using the library
219
220 * Compiler options::            
221 * Include files::               
222 * An Example::                  
223 * Debugging support::           
224 * Reporting Problems::          
225
226 Customizing
227
228 * Error handling::              
229 * Floating-point underflow::    
230 * Customizing I/O::             
231 * Customizing the memory allocator::  
232
233 @end menu
234
235 @node Introduction
236 @chapter Introduction
237
238 @noindent
239 CLN is a library for computations with all kinds of numbers.
240 It has a rich set of number classes:
241
242 @itemize @bullet
243 @item
244 Integers (with unlimited precision),
245
246 @item
247 Rational numbers,
248
249 @item
250 Floating-point numbers:
251
252 @itemize @minus
253 @item
254 Short float,
255 @item
256 Single float,
257 @item
258 Double float,
259 @item
260 Long float (with unlimited precision),
261 @end itemize
262
263 @item
264 Complex numbers,
265
266 @item
267 Modular integers (integers modulo a fixed integer),
268
269 @item
270 Univariate polynomials.
271 @end itemize
272
273 @noindent
274 The subtypes of the complex numbers among these are exactly the
275 types of numbers known to the Common Lisp language. Therefore
276 @code{CLN} can be used for Common Lisp implementations, giving
277 @samp{CLN} another meaning: it becomes an abbreviation of
278 ``Common Lisp Numbers''.
279
280 @noindent
281 The CLN package implements
282
283 @itemize @bullet
284 @item
285 Elementary functions (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt},
286 comparisons, @dots{}),
287
288 @item
289 Logical functions (logical @code{and}, @code{or}, @code{not}, @dots{}),
290
291 @item
292 Transcendental functions (exponential, logarithmic, trigonometric, hyperbolic
293 functions and their inverse functions).
294 @end itemize
295
296 @noindent
297 CLN is a C++ library. Using C++ as an implementation language provides
298
299 @itemize @bullet
300 @item
301 efficiency: it compiles to machine code,
302 @item
303 type safety: the C++ compiler knows about the number types and complains
304 if, for example, you try to assign a float to an integer variable.
305 @item
306 algebraic syntax: You can use the @code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{=},
307 @code{==}, @dots{} operators as in C or C++.
308 @end itemize
309
310 @noindent
311 CLN is memory efficient:
312
313 @itemize @bullet
314 @item
315 Small integers and short floats are immediate, not heap allocated.
316 @item
317 Heap-allocated memory is reclaimed through an automatic, non-interruptive
318 garbage collection.
319 @end itemize
320
321 @noindent
322 CLN is speed efficient:
323
324 @itemize @bullet
325 @item
326 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
327 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
328 @item
329 @cindex GMP
330 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
331 routines from GNU GMP version 3.
332 @item
333 It uses Karatsuba multiplication, which is significantly faster
334 for large numbers than the standard multiplication algorithm.
335 @item
336 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), it uses
337 @iftex
338 Sch{@"o}nhage-Strassen
339 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
340 @end iftex
341 @ifinfo
342 Schoenhage-Strassen
343 @cindex Schoenhage-Strassen multiplication
344 @end ifinfo
345 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication
346 algorithm, for multiplication, division and radix conversion.
347 @item 
348 @cindex binary splitting
349 It uses binary splitting for fast evaluation of series of rational
350 numbers as they occur in the evaluation of elementary functions and some
351 constants.
352 @end itemize
353
354 @noindent
355 CLN aims at being easily integrated into larger software packages:
356
357 @itemize @bullet
358 @item
359 The garbage collection imposes no burden on the main application.
360 @item
361 The library provides hooks for memory allocation and throws exceptions
362 in case of errors.
363 @item
364 @cindex namespace
365 All non-macro identifiers are hidden in namespace @code{cln} in 
366 order to avoid name clashes.
367 @end itemize
368
369
370 @node Installation
371 @chapter Installation
372
373 This section describes how to install the CLN package on your system.
374
375
376 @menu
377 * Prerequisites::               
378 * Building the library::        
379 * Installing the library::      
380 * Cleaning up::                 
381 @end menu
382
383 @node Prerequisites, Building the library, Installation, Installation
384 @section Prerequisites
385
386 @menu
387 * C++ compiler::                
388 * Make utility::                
389 * Sed utility::                 
390 @end menu
391
392 @node C++ compiler
393 @subsection C++ compiler
394
395 To build CLN, you need a C++ compiler.
396 GNU @code{g++ 4.0.0} or newer is recommended.
397
398 The following C++ features are used:
399 classes, member functions, overloading of functions and operators,
400 constructors and destructors, inline, const, multiple inheritance,
401 templates and namespaces.
402
403 The following C++ features are not used:
404 @code{new}, @code{delete}, virtual inheritance.
405
406 CLN relies on semi-automatic ordering of initializations of static and
407 global variables, a feature which I could implement for GNU g++
408 only. Also, it is not known whether this semi-automatic ordering works
409 on all platforms when a non-GNU assembler is being used.
410
411 @node Make utility
412 @subsection Make utility
413 @cindex @code{make}
414
415 To build CLN, you also need to have GNU @code{make} installed.
416
417 @node Sed utility
418 @subsection Sed utility
419 @cindex @code{sed}
420
421 To build CLN on HP-UX, you also need to have GNU @code{sed} installed.
422 This is because the libtool script, which creates the CLN library, relies
423 on @code{sed}, and the vendor's @code{sed} utility on these systems is too
424 limited.
425
426
427 @node Building the library
428 @section Building the library
429
430 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
431
432 @example
433 $ ./configure
434 $ make
435 $ make check
436 @end example
437
438 If on your system, @samp{make} is not GNU @code{make}, you have to use
439 @samp{gmake} instead of @samp{make} above.
440
441 The @code{configure} command checks out some features of your system and
442 C++ compiler and builds the @code{Makefile}s. The @code{make} command
443 builds the library. This step may take about half an hour on an average
444 workstation.  The @code{make check} runs some test to check that no
445 important subroutine has been miscompiled.
446
447 The @code{configure} command accepts options. To get a summary of them, try
448
449 @example
450 $ ./configure --help
451 @end example
452
453 Some of the options are explained in detail in the @samp{INSTALL.generic} file.
454
455 You can specify the C compiler, the C++ compiler and their options through
456 the following environment variables when running @code{configure}:
457
458 @table @code
459 @item CC
460 Specifies the C compiler.
461
462 @item CFLAGS
463 Flags to be given to the C compiler when compiling programs (not when linking).
464
465 @item CXX
466 Specifies the C++ compiler.
467
468 @item CXXFLAGS
469 Flags to be given to the C++ compiler when compiling programs (not when linking).
470
471 @item CPPFLAGS
472 Flags to be given to the C/C++ preprocessor.
473
474 @item LDFLAGS
475 Flags to be given to the linker.
476 @end table
477
478 Examples:
479
480 @example
481 $ CC="gcc" CFLAGS="-O" CXX="g++" CXXFLAGS="-O" ./configure
482 @end example
483 @example
484 $ CC="gcc -V 3.2.3" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000" \
485   CXX="g++ -V 3.2.3" CXXFLAGS="-O2 -finline-limit=1000" \
486   CPPFLAGS="-DNO_ASM" ./configure
487 @end example
488 @example
489 $ CC="gcc-4.2" CFLAGS="-O2" CXX="g++-4.2" CXXFLAGS="-O2" ./configure
490 @end example
491
492 Note that for these environment variables to take effect, you have to set
493 them (assuming a Bourne-compatible shell) on the same line as the
494 @code{configure} command. If you made the settings in earlier shell
495 commands, you have to @code{export} the environment variables before
496 calling @code{configure}. In a @code{csh} shell, you have to use the
497 @samp{setenv} command for setting each of the environment variables.
498
499 Currently CLN works only with the GNU @code{g++} compiler, and only in
500 optimizing mode. So you should specify at least @code{-O} in the
501 CXXFLAGS, or no CXXFLAGS at all. If CXXFLAGS is not set, CLN will be
502 compiled with @code{-O}.
503
504 The assembler language kernel can be turned off by specifying
505 @code{-DNO_ASM} in the CPPFLAGS. If @code{make check} reports any
506 problems, you may try to clean up (see @ref{Cleaning up}) and configure
507 and compile again, this time with @code{-DNO_ASM}.
508
509 If you use @code{g++} 3.2.x or earlier, I recommend adding
510 @samp{-finline-limit=1000} to the CXXFLAGS. This is essential for good
511 code.
512
513 If you use @code{g++} from gcc-3.0.4 or older on Sparc, add either
514 @samp{-O}, @samp{-O1} or @samp{-O2 -fno-schedule-insns} to the
515 CXXFLAGS. With full @samp{-O2}, @code{g++} miscompiles the division
516 routines. Also, do not use gcc-3.0 on Sparc for compiling CLN, it
517 won't work at all.
518
519 Also, please do not compile CLN with @code{g++} using the @code{-O3}
520 optimization level.  This leads to inferior code quality.
521
522 Some newer versions of @code{g++} require quite an amount of memory.
523 You might need some swap space if your machine doesn't have 512 MB of
524 RAM.
525
526 By default, both a shared and a static library are built.  You can build
527 CLN as a static (or shared) library only, by calling @code{configure}
528 with the option @samp{--disable-shared} (or @samp{--disable-static}).
529 While shared libraries are usually more convenient to use, they may not
530 work on all architectures.  Try disabling them if you run into linker
531 problems.  Also, they are generally slightly slower than static
532 libraries so runtime-critical applications should be linked statically.
533
534
535 @menu
536 * Using the GNU MP Library::    
537 @end menu
538
539 @node Using the GNU MP Library
540 @subsection Using the GNU MP Library
541 @cindex GMP
542
543 CLN may be configured to make use of a preinstalled @code{gmp} library
544 for some low-level routines.  Please make sure that you have at least
545 @code{gmp} version 3.0 installed since earlier versions are unsupported
546 and likely not to work.  Using @code{gmp} is known to be quite a boost
547 for CLN's performance.
548
549 By default, CLN will autodetect @code{gmp} and use it. If you do not
550 want CLN to make use of a preinstalled @code{gmp} library, then you can
551 explicitly specify so by calling @code{configure} with the option
552 @samp{--without-gmp}.
553
554 If you have installed the @code{gmp} library and its header files in
555 some place where the compiler cannot find it by default, you must help
556 @code{configure} and specify the prefix that was used when @code{gmp}
557 was configured. Here is an example:
558
559 @example
560 $ ./configure --with-gmp=/opt/gmp-4.2.2
561 @end example
562
563 This assumes that the @code{gmp} header files have been installed in
564 @file{/opt/gmp-4.2.2/include/} and the library in
565 @file{/opt/gmp-4.2.2/lib/}. More uncommon GMP installations can be
566 handled by setting CPPFLAGS and LDFLAGS appropriately prior to running
567 @code{configure}.
568
569
570 @node Installing the library
571 @section Installing the library
572 @cindex installation
573
574 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
575
576 @example
577 $ make install
578 @end example
579
580 The @samp{make install} command installs the library and the include files
581 into public places (@file{/usr/local/lib/} and @file{/usr/local/include/},
582 if you haven't specified a @code{--prefix} option to @code{configure}).
583 This step may require superuser privileges.
584
585 If you have already built the library and wish to install it, but didn't
586 specify @code{--prefix=@dots{}} at configure time, just re-run
587 @code{configure}, giving it the same options as the first time, plus
588 the @code{--prefix=@dots{}} option.
589
590
591 @node Cleaning up
592 @section Cleaning up
593
594 You can remove system-dependent files generated by @code{make} through
595
596 @example
597 $ make clean
598 @end example
599
600 You can remove all files generated by @code{make}, thus reverting to a
601 virgin distribution of CLN, through
602
603 @example
604 $ make distclean
605 @end example
606
607
608 @node Ordinary number types
609 @chapter Ordinary number types
610
611 CLN implements the following class hierarchy:
612
613 @example
614                         Number
615                       cl_number
616                     <cln/number.h>
617                           |
618                           |
619                  Real or complex number
620                         cl_N
621                     <cln/complex.h>
622                           |
623                           |
624                      Real number
625                         cl_R
626                      <cln/real.h>
627                           |
628       +-------------------+-------------------+
629       |                                       |
630 Rational number                     Floating-point number
631     cl_RA                                   cl_F
632 <cln/rational.h>                         <cln/float.h>
633       |                                       |
634       |                +--------------+--------------+--------------+
635    Integer             |              |              |              |
636     cl_I          Short-Float    Single-Float   Double-Float    Long-Float
637 <cln/integer.h>      cl_SF          cl_FF          cl_DF          cl_LF
638                  <cln/sfloat.h> <cln/ffloat.h> <cln/dfloat.h> <cln/lfloat.h>
639 @end example
640
641 @cindex @code{cl_number}
642 @cindex abstract class
643 The base class @code{cl_number} is an abstract base class.
644 It is not useful to declare a variable of this type except if you want
645 to completely disable compile-time type checking and use run-time type
646 checking instead.
647
648 @cindex @code{cl_N}
649 @cindex real number
650 @cindex complex number
651 The class @code{cl_N} comprises real and complex numbers. There is
652 no special class for complex numbers since complex numbers with imaginary
653 part @code{0} are automatically converted to real numbers.
654
655 @cindex @code{cl_R}
656 The class @code{cl_R} comprises real numbers of different kinds. It is an
657 abstract class.
658
659 @cindex @code{cl_RA}
660 @cindex rational number
661 @cindex integer
662 The class @code{cl_RA} comprises exact real numbers: rational numbers, including
663 integers. There is no special class for non-integral rational numbers
664 since rational numbers with denominator @code{1} are automatically converted
665 to integers.
666
667 @cindex @code{cl_F}
668 The class @code{cl_F} implements floating-point approximations to real numbers.
669 It is an abstract class.
670
671
672 @menu
673 * Exact numbers::               
674 * Floating-point numbers::      
675 * Complex numbers::             
676 * Conversions::                 
677 @end menu
678
679 @node Exact numbers
680 @section Exact numbers
681 @cindex exact number
682
683 Some numbers are represented as exact numbers: there is no loss of information
684 when such a number is converted from its mathematical value to its internal
685 representation. On exact numbers, the elementary operations (@code{+},
686 @code{-}, @code{*}, @code{/}, comparisons, @dots{}) compute the completely
687 correct result.
688
689 In CLN, the exact numbers are:
690
691 @itemize @bullet
692 @item
693 rational numbers (including integers),
694 @item
695 complex numbers whose real and imaginary parts are both rational numbers.
696 @end itemize
697
698 Rational numbers are always normalized to the form
699 @code{@var{numerator}/@var{denominator}} where the numerator and denominator
700 are coprime integers and the denominator is positive. If the resulting
701 denominator is @code{1}, the rational number is converted to an integer.
702
703 @cindex immediate numbers
704 Small integers (typically in the range @code{-2^29}@dots{}@code{2^29-1},
705 for 32-bit machines) are especially efficient, because they consume no heap
706 allocation. Otherwise the distinction between these immediate integers
707 (called ``fixnums'') and heap allocated integers (called ``bignums'')
708 is completely transparent.
709
710
711 @node Floating-point numbers
712 @section Floating-point numbers
713 @cindex floating-point number
714
715 Not all real numbers can be represented exactly. (There is an easy mathematical
716 proof for this: Only a countable set of numbers can be stored exactly in
717 a computer, even if one assumes that it has unlimited storage. But there
718 are uncountably many real numbers.) So some approximation is needed.
719 CLN implements ordinary floating-point numbers, with mantissa and exponent.
720
721 @cindex rounding error
722 The elementary operations (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @dots{})
723 only return approximate results. For example, the value of the expression
724 @code{(cl_F) 0.3 + (cl_F) 0.4} prints as @samp{0.70000005}, not as
725 @samp{0.7}. Rounding errors like this one are inevitable when computing
726 with floating-point numbers.
727
728 Nevertheless, CLN rounds the floating-point results of the operations @code{+},
729 @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt} according to the ``round-to-even''
730 rule: It first computes the exact mathematical result and then returns the
731 floating-point number which is nearest to this. If two floating-point numbers
732 are equally distant from the ideal result, the one with a @code{0} in its least
733 significant mantissa bit is chosen.
734
735 Similarly, testing floating point numbers for equality @samp{x == y}
736 is gambling with random errors. Better check for @samp{abs(x - y) < epsilon}
737 for some well-chosen @code{epsilon}.
738
739 Floating point numbers come in four flavors:
740
741 @itemize @bullet
742 @item
743 @cindex @code{cl_SF}
744 Short floats, type @code{cl_SF}.
745 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
746 and 17 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
747 They don't consume heap allocation.
748
749 @item
750 @cindex @code{cl_FF}
751 Single floats, type @code{cl_FF}.
752 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
753 and 24 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
754 In CLN, they are represented as IEEE single-precision floating point numbers.
755 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{float}.
756
757 @item
758 @cindex @code{cl_DF}
759 Double floats, type @code{cl_DF}.
760 They have 1 sign bit, 11 exponent bits (including the exponent's sign),
761 and 53 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
762 In CLN, they are represented as IEEE double-precision floating point numbers.
763 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{double}.
764
765 @item
766 @cindex @code{cl_LF}
767 Long floats, type @code{cl_LF}.
768 They have 1 sign bit, 32 exponent bits (including the exponent's sign),
769 and n mantissa bits (including the ``hidden'' bit), where n >= 64.
770 The precision of a long float is unlimited, but once created, a long float
771 has a fixed precision. (No ``lazy recomputation''.)
772 @end itemize
773
774 Of course, computations with long floats are more expensive than those
775 with smaller floating-point formats.
776
777 CLN does not implement features like NaNs, denormalized numbers and
778 gradual underflow. If the exponent range of some floating-point type
779 is too limited for your application, choose another floating-point type
780 with larger exponent range.
781
782 @cindex @code{cl_F}
783 As a user of CLN, you can forget about the differences between the
784 four floating-point types and just declare all your floating-point
785 variables as being of type @code{cl_F}. This has the advantage that
786 when you change the precision of some computation (say, from @code{cl_DF}
787 to @code{cl_LF}), you don't have to change the code, only the precision
788 of the initial values. Also, many transcendental functions have been
789 declared as returning a @code{cl_F} when the argument is a @code{cl_F},
790 but such declarations are missing for the types @code{cl_SF}, @code{cl_FF},
791 @code{cl_DF}, @code{cl_LF}. (Such declarations would be wrong if
792 the floating point contagion rule happened to change in the future.)
793
794
795 @node Complex numbers
796 @section Complex numbers
797 @cindex complex number
798
799 Complex numbers, as implemented by the class @code{cl_N}, have a real
800 part and an imaginary part, both real numbers. A complex number whose
801 imaginary part is the exact number @code{0} is automatically converted
802 to a real number.
803
804 Complex numbers can arise from real numbers alone, for example
805 through application of @code{sqrt} or transcendental functions.
806
807
808 @node Conversions
809 @section Conversions
810 @cindex conversion
811
812 Conversions from any class to any its superclasses (``base classes'' in
813 C++ terminology) is done automatically.
814
815 Conversions from the C built-in types @samp{long} and @samp{unsigned long}
816 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
817 @code{cl_N} and @code{cl_number}.
818
819 Conversions from the C built-in types @samp{int} and @samp{unsigned int}
820 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
821 @code{cl_N} and @code{cl_number}. However, these conversions emphasize
822 efficiency. On 32-bit systems, their range is therefore limited:
823
824 @itemize @minus
825 @item
826 The conversion from @samp{int} works only if the argument is < 2^29 and >= -2^29.
827 @item
828 The conversion from @samp{unsigned int} works only if the argument is < 2^29.
829 @end itemize
830
831 In a declaration like @samp{cl_I x = 10;} the C++ compiler is able to
832 do the conversion of @code{10} from @samp{int} to @samp{cl_I} at compile time
833 already. On the other hand, code like @samp{cl_I x = 1000000000;} is
834 in error on 32-bit machines.
835 So, if you want to be sure that an @samp{int} whose magnitude is not guaranteed
836 to be < 2^29 is correctly converted to a @samp{cl_I}, first convert it to a
837 @samp{long}. Similarly, if a large @samp{unsigned int} is to be converted to a
838 @samp{cl_I}, first convert it to an @samp{unsigned long}. On 64-bit machines
839 there is no such restriction. There, conversions from arbitrary 32-bit @samp{int}
840 values always works correctly.
841
842 Conversions from the C built-in type @samp{float} are provided for the classes
843 @code{cl_FF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
844
845 Conversions from the C built-in type @samp{double} are provided for the classes
846 @code{cl_DF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
847
848 Conversions from @samp{const char *} are provided for the classes
849 @code{cl_I}, @code{cl_RA},
850 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F},
851 @code{cl_R}, @code{cl_N}.
852 The easiest way to specify a value which is outside of the range of the
853 C++ built-in types is therefore to specify it as a string, like this:
854 @cindex Rubik's cube
855 @example
856    cl_I order_of_rubiks_cube_group = "43252003274489856000";
857 @end example
858 Note that this conversion is done at runtime, not at compile-time.
859
860 Conversions from @code{cl_I} to the C built-in types @samp{int},
861 @samp{unsigned int}, @samp{long}, @samp{unsigned long} are provided through
862 the functions
863
864 @table @code
865 @item int cl_I_to_int (const cl_I& x)
866 @cindex @code{cl_I_to_int ()}
867 @itemx unsigned int cl_I_to_uint (const cl_I& x)
868 @cindex @code{cl_I_to_uint ()}
869 @itemx long cl_I_to_long (const cl_I& x)
870 @cindex @code{cl_I_to_long ()}
871 @itemx unsigned long cl_I_to_ulong (const cl_I& x)
872 @cindex @code{cl_I_to_ulong ()}
873 Returns @code{x} as element of the C type @var{ctype}. If @code{x} is not
874 representable in the range of @var{ctype}, a runtime error occurs.
875 @end table
876
877 Conversions from the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA},
878 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F} and
879 @code{cl_R}
880 to the C built-in types @samp{float} and @samp{double} are provided through
881 the functions
882
883 @table @code
884 @item float float_approx (const @var{type}& x)
885 @cindex @code{float_approx ()}
886 @itemx double double_approx (const @var{type}& x)
887 @cindex @code{double_approx ()}
888 Returns an approximation of @code{x} of C type @var{ctype}.
889 If @code{abs(x)} is too close to 0 (underflow), 0 is returned.
890 If @code{abs(x)} is too large (overflow), an IEEE infinity is returned.
891 @end table
892
893 Conversions from any class to any of its subclasses (``derived classes'' in
894 C++ terminology) are not provided. Instead, you can assert and check
895 that a value belongs to a certain subclass, and return it as element of that
896 class, using the @samp{As} and @samp{The} macros.
897 @cindex cast
898 @cindex @code{As()()}
899 @code{As(@var{type})(@var{value})} checks that @var{value} belongs to
900 @var{type} and returns it as such.
901 @cindex @code{The()()}
902 @code{The(@var{type})(@var{value})} assumes that @var{value} belongs to
903 @var{type} and returns it as such. It is your responsibility to ensure
904 that this assumption is valid.  Since macros and namespaces don't go
905 together well, there is an equivalent to @samp{The}: the template
906 @samp{the}.
907
908 Example:
909
910 @example
911 @group
912    cl_I x = @dots{};
913    if (!(x >= 0)) abort();
914    cl_I ten_x_a = The(cl_I)(expt(10,x)); // If x >= 0, 10^x is an integer.
915                 // In general, it would be a rational number.
916    cl_I ten_x_b = the<cl_I>(expt(10,x)); // The same as above.
917 @end group
918 @end example
919
920
921 @node Functions on numbers
922 @chapter Functions on numbers
923
924 Each of the number classes declares its mathematical operations in the
925 corresponding include file. For example, if your code operates with
926 objects of type @code{cl_I}, it should @code{#include <cln/integer.h>}.
927
928
929 @menu
930 * Constructing numbers::        
931 * Elementary functions::        
932 * Elementary rational functions::  
933 * Elementary complex functions::  
934 * Comparisons::                 
935 * Rounding functions::          
936 * Roots::                       
937 * Transcendental functions::    
938 * Functions on integers::       
939 * Functions on floating-point numbers::  
940 * Conversion functions::        
941 * Random number generators::    
942 * Modifying operators::       
943 @end menu
944
945 @node Constructing numbers
946 @section Constructing numbers
947
948 Here is how to create number objects ``from nothing''.
949
950
951 @menu
952 * Constructing integers::       
953 * Constructing rational numbers::  
954 * Constructing floating-point numbers::  
955 * Constructing complex numbers::  
956 @end menu
957
958 @node Constructing integers
959 @subsection Constructing integers
960
961 @code{cl_I} objects are most easily constructed from C integers and from
962 strings. See @ref{Conversions}.
963
964
965 @node Constructing rational numbers
966 @subsection Constructing rational numbers
967
968 @code{cl_RA} objects can be constructed from strings. The syntax
969 for rational numbers is described in @ref{Internal and printed representation}.
970 Another standard way to produce a rational number is through application
971 of @samp{operator /} or @samp{recip} on integers.
972
973
974 @node Constructing floating-point numbers
975 @subsection Constructing floating-point numbers
976
977 @code{cl_F} objects with low precision are most easily constructed from
978 C @samp{float} and @samp{double}. See @ref{Conversions}.
979
980 To construct a @code{cl_F} with high precision, you can use the conversion
981 from @samp{const char *}, but you have to specify the desired precision
982 within the string. (See @ref{Internal and printed representation}.)
983 Example:
984 @example
985    cl_F e = "0.271828182845904523536028747135266249775724709369996e+1_40";
986 @end example
987 will set @samp{e} to the given value, with a precision of 40 decimal digits.
988
989 The programmatic way to construct a @code{cl_F} with high precision is
990 through the @code{cl_float} conversion function, see
991 @ref{Conversion to floating-point numbers}. For example, to compute
992 @code{e} to 40 decimal places, first construct 1.0 to 40 decimal places
993 and then apply the exponential function:
994 @example
995    float_format_t precision = float_format(40);
996    cl_F e = exp(cl_float(1,precision));
997 @end example
998
999
1000 @node Constructing complex numbers
1001 @subsection Constructing complex numbers
1002
1003 Non-real @code{cl_N} objects are normally constructed through the function
1004 @example
1005    cl_N complex (const cl_R& realpart, const cl_R& imagpart)
1006 @end example
1007 See @ref{Elementary complex functions}.
1008
1009
1010 @node Elementary functions
1011 @section Elementary functions
1012
1013 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1014 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1015 defines the following operations:
1016
1017 @table @code
1018 @item @var{type} operator + (const @var{type}&, const @var{type}&)
1019 @cindex @code{operator + ()}
1020 Addition.
1021
1022 @item @var{type} operator - (const @var{type}&, const @var{type}&)
1023 @cindex @code{operator - ()}
1024 Subtraction.
1025
1026 @item @var{type} operator - (const @var{type}&)
1027 Returns the negative of the argument.
1028
1029 @item @var{type} plus1 (const @var{type}& x)
1030 @cindex @code{plus1 ()}
1031 Returns @code{x + 1}.
1032
1033 @item @var{type} minus1 (const @var{type}& x)
1034 @cindex @code{minus1 ()}
1035 Returns @code{x - 1}.
1036
1037 @item @var{type} operator * (const @var{type}&, const @var{type}&)
1038 @cindex @code{operator * ()}
1039 Multiplication.
1040
1041 @item @var{type} square (const @var{type}& x)
1042 @cindex @code{square ()}
1043 Returns @code{x * x}.
1044 @end table
1045
1046 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1047 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1048 defines the following operations:
1049
1050 @table @code
1051 @item @var{type} operator / (const @var{type}&, const @var{type}&)
1052 @cindex @code{operator / ()}
1053 Division.
1054
1055 @item @var{type} recip (const @var{type}&)
1056 @cindex @code{recip ()}
1057 Returns the reciprocal of the argument.
1058 @end table
1059
1060 The class @code{cl_I} doesn't define a @samp{/} operation because
1061 in the C/C++ language this operator, applied to integral types,
1062 denotes the @samp{floor} or @samp{truncate} operation (which one of these,
1063 is implementation dependent). (@xref{Rounding functions}.)
1064 Instead, @code{cl_I} defines an ``exact quotient'' function:
1065
1066 @table @code
1067 @item cl_I exquo (const cl_I& x, const cl_I& y)
1068 @cindex @code{exquo ()}
1069 Checks that @code{y} divides @code{x}, and returns the quotient @code{x}/@code{y}.
1070 @end table
1071
1072 The following exponentiation functions are defined:
1073
1074 @table @code
1075 @item cl_I expt_pos (const cl_I& x, const cl_I& y)
1076 @cindex @code{expt_pos ()}
1077 @itemx cl_RA expt_pos (const cl_RA& x, const cl_I& y)
1078 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
1079
1080 @item cl_RA expt (const cl_RA& x, const cl_I& y)
1081 @cindex @code{expt ()}
1082 @itemx cl_R expt (const cl_R& x, const cl_I& y)
1083 @itemx cl_N expt (const cl_N& x, const cl_I& y)
1084 Returns @code{x^y}.
1085 @end table
1086
1087 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1088 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1089 defines the following operation:
1090
1091 @table @code
1092 @item @var{type} abs (const @var{type}& x)
1093 @cindex @code{abs ()}
1094 Returns the absolute value of @code{x}.
1095 This is @code{x} if @code{x >= 0}, and @code{-x} if @code{x <= 0}.
1096 @end table
1097
1098 The class @code{cl_N} implements this as follows:
1099
1100 @table @code
1101 @item cl_R abs (const cl_N x)
1102 Returns the absolute value of @code{x}.
1103 @end table
1104
1105 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1106 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1107 defines the following operation:
1108
1109 @table @code
1110 @item @var{type} signum (const @var{type}& x)
1111 @cindex @code{signum ()}
1112 Returns the sign of @code{x}, in the same number format as @code{x}.
1113 This is defined as @code{x / abs(x)} if @code{x} is non-zero, and
1114 @code{x} if @code{x} is zero. If @code{x} is real, the value is either
1115 0 or 1 or -1.
1116 @end table
1117
1118
1119 @node Elementary rational functions
1120 @section Elementary rational functions
1121
1122 Each of the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} defines the following operations:
1123
1124 @table @code
1125 @item cl_I numerator (const @var{type}& x)
1126 @cindex @code{numerator ()}
1127 Returns the numerator of @code{x}.
1128
1129 @item cl_I denominator (const @var{type}& x)
1130 @cindex @code{denominator ()}
1131 Returns the denominator of @code{x}.
1132 @end table
1133
1134 The numerator and denominator of a rational number are normalized in such
1135 a way that they have no factor in common and the denominator is positive.
1136
1137
1138 @node Elementary complex functions
1139 @section Elementary complex functions
1140
1141 The class @code{cl_N} defines the following operation:
1142
1143 @table @code
1144 @item cl_N complex (const cl_R& a, const cl_R& b)
1145 @cindex @code{complex ()}
1146 Returns the complex number @code{a+bi}, that is, the complex number with
1147 real part @code{a} and imaginary part @code{b}.
1148 @end table
1149
1150 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R} defines the following operations:
1151
1152 @table @code
1153 @item cl_R realpart (const @var{type}& x)
1154 @cindex @code{realpart ()}
1155 Returns the real part of @code{x}.
1156
1157 @item cl_R imagpart (const @var{type}& x)
1158 @cindex @code{imagpart ()}
1159 Returns the imaginary part of @code{x}.
1160
1161 @item @var{type} conjugate (const @var{type}& x)
1162 @cindex @code{conjugate ()}
1163 Returns the complex conjugate of @code{x}.
1164 @end table
1165
1166 We have the relations
1167
1168 @itemize @w{}
1169 @item
1170 @code{x = complex(realpart(x), imagpart(x))}
1171 @item
1172 @code{conjugate(x) = complex(realpart(x), -imagpart(x))}
1173 @end itemize
1174
1175
1176 @node Comparisons
1177 @section Comparisons
1178 @cindex comparison
1179
1180 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1181 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1182 defines the following operations:
1183
1184 @table @code
1185 @item bool operator == (const @var{type}&, const @var{type}&)
1186 @cindex @code{operator == ()}
1187 @itemx bool operator != (const @var{type}&, const @var{type}&)
1188 @cindex @code{operator != ()}
1189 Comparison, as in C and C++.
1190
1191 @item uint32 equal_hashcode (const @var{type}&)
1192 @cindex @code{equal_hashcode ()}
1193 Returns a 32-bit hash code that is the same for any two numbers which are
1194 the same according to @code{==}. This hash code depends on the number's value,
1195 not its type or precision.
1196
1197 @item bool zerop (const @var{type}& x)
1198 @cindex @code{zerop ()}
1199 Compare against zero: @code{x == 0}
1200 @end table
1201
1202 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1203 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1204 defines the following operations:
1205
1206 @table @code
1207 @item cl_signean compare (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1208 @cindex @code{compare ()}
1209 Compares @code{x} and @code{y}. Returns +1 if @code{x}>@code{y},
1210 -1 if @code{x}<@code{y}, 0 if @code{x}=@code{y}.
1211
1212 @item bool operator <= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1213 @cindex @code{operator <= ()}
1214 @itemx bool operator < (const @var{type}&, const @var{type}&)
1215 @cindex @code{operator < ()}
1216 @itemx bool operator >= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1217 @cindex @code{operator >= ()}
1218 @itemx bool operator > (const @var{type}&, const @var{type}&)
1219 @cindex @code{operator > ()}
1220 Comparison, as in C and C++.
1221
1222 @item bool minusp (const @var{type}& x)
1223 @cindex @code{minusp ()}
1224 Compare against zero: @code{x < 0}
1225
1226 @item bool plusp (const @var{type}& x)
1227 @cindex @code{plusp ()}
1228 Compare against zero: @code{x > 0}
1229
1230 @item @var{type} max (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1231 @cindex @code{max ()}
1232 Return the maximum of @code{x} and @code{y}.
1233
1234 @item @var{type} min (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1235 @cindex @code{min ()}
1236 Return the minimum of @code{x} and @code{y}.
1237 @end table
1238
1239 When a floating point number and a rational number are compared, the float
1240 is first converted to a rational number using the function @code{rational}.
1241 Since a floating point number actually represents an interval of real numbers,
1242 the result might be surprising.
1243 For example, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3" == (cl_R)"1/3"} returns false because
1244 there is no floating point number whose value is exactly @code{1/3}.
1245
1246
1247 @node Rounding functions
1248 @section Rounding functions
1249 @cindex rounding
1250
1251 When a real number is to be converted to an integer, there is no ``best''
1252 rounding. The desired rounding function depends on the application.
1253 The Common Lisp and ISO Lisp standards offer four rounding functions:
1254
1255 @table @code
1256 @item floor(x)
1257 This is the largest integer <=@code{x}.
1258
1259 @item ceiling(x)
1260 This is the smallest integer >=@code{x}.
1261
1262 @item truncate(x)
1263 Among the integers between 0 and @code{x} (inclusive) the one nearest to @code{x}.
1264
1265 @item round(x)
1266 The integer nearest to @code{x}. If @code{x} is exactly halfway between two
1267 integers, choose the even one.
1268 @end table
1269
1270 These functions have different advantages:
1271
1272 @code{floor} and @code{ceiling} are translation invariant:
1273 @code{floor(x+n) = floor(x) + n} and @code{ceiling(x+n) = ceiling(x) + n}
1274 for every @code{x} and every integer @code{n}.
1275
1276 On the other hand, @code{truncate} and @code{round} are symmetric:
1277 @code{truncate(-x) = -truncate(x)} and @code{round(-x) = -round(x)},
1278 and furthermore @code{round} is unbiased: on the ``average'', it rounds
1279 down exactly as often as it rounds up.
1280
1281 The functions are related like this:
1282
1283 @itemize @w{}
1284 @item
1285 @code{ceiling(m/n) = floor((m+n-1)/n) = floor((m-1)/n)+1}
1286 for rational numbers @code{m/n} (@code{m}, @code{n} integers, @code{n}>0), and
1287 @item
1288 @code{truncate(x) = sign(x) * floor(abs(x))}
1289 @end itemize
1290
1291 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1292 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1293 defines the following operations:
1294
1295 @table @code
1296 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x)
1297 @cindex @code{floor1 ()}
1298 Returns @code{floor(x)}.
1299 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x)
1300 @cindex @code{ceiling1 ()}
1301 Returns @code{ceiling(x)}.
1302 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x)
1303 @cindex @code{truncate1 ()}
1304 Returns @code{truncate(x)}.
1305 @item cl_I round1 (const @var{type}& x)
1306 @cindex @code{round1 ()}
1307 Returns @code{round(x)}.
1308 @end table
1309
1310 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1311 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1312 defines the following operations:
1313
1314 @table @code
1315 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1316 Returns @code{floor(x/y)}.
1317 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1318 Returns @code{ceiling(x/y)}.
1319 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1320 Returns @code{truncate(x/y)}.
1321 @item cl_I round1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1322 Returns @code{round(x/y)}.
1323 @end table
1324
1325 These functions are called @samp{floor1}, @dots{} here instead of
1326 @samp{floor}, @dots{}, because on some systems, system dependent include
1327 files define @samp{floor} and @samp{ceiling} as macros.
1328
1329 In many cases, one needs both the quotient and the remainder of a division.
1330 It is more efficient to compute both at the same time than to perform
1331 two divisions, one for quotient and the next one for the remainder.
1332 The following functions therefore return a structure containing both
1333 the quotient and the remainder. The suffix @samp{2} indicates the number
1334 of ``return values''. The remainder is defined as follows:
1335
1336 @itemize @bullet
1337 @item
1338 for the computation of @code{quotient = floor(x)},
1339 @code{remainder = x - quotient},
1340 @item
1341 for the computation of @code{quotient = floor(x,y)},
1342 @code{remainder = x - quotient*y},
1343 @end itemize
1344
1345 and similarly for the other three operations.
1346
1347 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1348 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1349 defines the following operations:
1350
1351 @table @code
1352 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1353 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x)
1354 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x)
1355 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x)
1356 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x)
1357 @end table
1358
1359 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1360 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1361 defines the following operations:
1362
1363 @table @code
1364 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1365 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1366 @cindex @code{floor2 ()}
1367 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1368 @cindex @code{ceiling2 ()}
1369 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1370 @cindex @code{truncate2 ()}
1371 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1372 @cindex @code{round2 ()}
1373 @end table
1374
1375 Sometimes, one wants the quotient as a floating-point number (of the
1376 same format as the argument, if the argument is a float) instead of as
1377 an integer. The prefix @samp{f} indicates this.
1378
1379 Each of the classes
1380 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1381 defines the following operations:
1382
1383 @table @code
1384 @item @var{type} ffloor (const @var{type}& x)
1385 @cindex @code{ffloor ()}
1386 @itemx @var{type} fceiling (const @var{type}& x)
1387 @cindex @code{fceiling ()}
1388 @itemx @var{type} ftruncate (const @var{type}& x)
1389 @cindex @code{ftruncate ()}
1390 @itemx @var{type} fround (const @var{type}& x)
1391 @cindex @code{fround ()}
1392 @end table
1393
1394 and similarly for class @code{cl_R}, but with return type @code{cl_F}.
1395
1396 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1397
1398 @table @code
1399 @item cl_F ffloor (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1400 @itemx cl_F fceiling (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1401 @itemx cl_F ftruncate (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1402 @itemx cl_F fround (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1403 @end table
1404
1405 These functions also exist in versions which return both the quotient
1406 and the remainder. The suffix @samp{2} indicates this.
1407
1408 Each of the classes
1409 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1410 defines the following operations:
1411 @cindex @code{cl_F_fdiv_t}
1412 @cindex @code{cl_SF_fdiv_t}
1413 @cindex @code{cl_FF_fdiv_t}
1414 @cindex @code{cl_DF_fdiv_t}
1415 @cindex @code{cl_LF_fdiv_t}
1416
1417 @table @code
1418 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ @var{type} quotient; @var{type} remainder; @};
1419 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x)
1420 @cindex @code{ffloor2 ()}
1421 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x)
1422 @cindex @code{fceiling2 ()}
1423 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x)
1424 @cindex @code{ftruncate2 ()}
1425 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x)
1426 @cindex @code{fround2 ()}
1427 @end table
1428 and similarly for class @code{cl_R}, but with quotient type @code{cl_F}.
1429 @cindex @code{cl_R_fdiv_t}
1430
1431 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1432
1433 @table @code
1434 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ cl_F quotient; cl_R remainder; @};
1435 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1436 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1437 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1438 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1439 @end table
1440
1441 Other applications need only the remainder of a division.
1442 The remainder of @samp{floor} and @samp{ffloor} is called @samp{mod}
1443 (abbreviation of ``modulo''). The remainder @samp{truncate} and
1444 @samp{ftruncate} is called @samp{rem} (abbreviation of ``remainder'').
1445
1446 @itemize @bullet
1447 @item
1448 @code{mod(x,y) = floor2(x,y).remainder = x - floor(x/y)*y}
1449 @item
1450 @code{rem(x,y) = truncate2(x,y).remainder = x - truncate(x/y)*y}
1451 @end itemize
1452
1453 If @code{x} and @code{y} are both >= 0, @code{mod(x,y) = rem(x,y) >= 0}.
1454 In general, @code{mod(x,y)} has the sign of @code{y} or is zero,
1455 and @code{rem(x,y)} has the sign of @code{x} or is zero.
1456
1457 The classes @code{cl_R}, @code{cl_I} define the following operations:
1458
1459 @table @code
1460 @item @var{type} mod (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1461 @cindex @code{mod ()}
1462 @itemx @var{type} rem (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1463 @cindex @code{rem ()}
1464 @end table
1465
1466
1467 @node Roots
1468 @section Roots
1469
1470 Each of the classes @code{cl_R},
1471 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1472 defines the following operation:
1473
1474 @table @code
1475 @item @var{type} sqrt (const @var{type}& x)
1476 @cindex @code{sqrt ()}
1477 @code{x} must be >= 0. This function returns the square root of @code{x},
1478 normalized to be >= 0. If @code{x} is the square of a rational number,
1479 @code{sqrt(x)} will be a rational number, else it will return a
1480 floating-point approximation.
1481 @end table
1482
1483 The classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} define the following operation:
1484
1485 @table @code
1486 @item bool sqrtp (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1487 @cindex @code{sqrtp ()}
1488 This tests whether @code{x} is a perfect square. If so, it returns true
1489 and the exact square root in @code{*root}, else it returns false.
1490 @end table
1491
1492 Furthermore, for integers, similarly:
1493
1494 @table @code
1495 @item bool isqrt (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1496 @cindex @code{isqrt ()}
1497 @code{x} should be >= 0. This function sets @code{*root} to
1498 @code{floor(sqrt(x))} and returns the same value as @code{sqrtp}:
1499 the boolean value @code{(expt(*root,2) == x)}.
1500 @end table
1501
1502 For @code{n}th roots, the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I}
1503 define the following operation:
1504
1505 @table @code
1506 @item bool rootp (const @var{type}& x, const cl_I& n, @var{type}* root)
1507 @cindex @code{rootp ()}
1508 @code{x} must be >= 0. @code{n} must be > 0.
1509 This tests whether @code{x} is an @code{n}th power of a rational number.
1510 If so, it returns true and the exact root in @code{*root}, else it returns
1511 false.
1512 @end table
1513
1514 The only square root function which accepts negative numbers is the one
1515 for class @code{cl_N}:
1516
1517 @table @code
1518 @item cl_N sqrt (const cl_N& z)
1519 @cindex @code{sqrt ()}
1520 Returns the square root of @code{z}, as defined by the formula
1521 @code{sqrt(z) = exp(log(z)/2)}. Conversion to a floating-point type
1522 or to a complex number are done if necessary. The range of the result is the
1523 right half plane @code{realpart(sqrt(z)) >= 0}
1524 including the positive imaginary axis and 0, but excluding
1525 the negative imaginary axis.
1526 The result is an exact number only if @code{z} is an exact number.
1527 @end table
1528
1529
1530 @node Transcendental functions
1531 @section Transcendental functions
1532 @cindex transcendental functions
1533
1534 The transcendental functions return an exact result if the argument
1535 is exact and the result is exact as well. Otherwise they must return
1536 inexact numbers even if the argument is exact.
1537 For example, @code{cos(0) = 1} returns the rational number @code{1}.
1538
1539
1540 @menu
1541 * Exponential and logarithmic functions::  
1542 * Trigonometric functions::     
1543 * Hyperbolic functions::        
1544 * Euler gamma::                 
1545 * Riemann zeta::                
1546 @end menu
1547
1548 @node Exponential and logarithmic functions
1549 @subsection Exponential and logarithmic functions
1550
1551 @table @code
1552 @item cl_R exp (const cl_R& x)
1553 @cindex @code{exp ()}
1554 @itemx cl_N exp (const cl_N& x)
1555 Returns the exponential function of @code{x}. This is @code{e^x} where
1556 @code{e} is the base of the natural logarithms. The range of the result
1557 is the entire complex plane excluding 0.
1558
1559 @item cl_R ln (const cl_R& x)
1560 @cindex @code{ln ()}
1561 @code{x} must be > 0. Returns the (natural) logarithm of x.
1562
1563 @item cl_N log (const cl_N& x)
1564 @cindex @code{log ()}
1565 Returns the (natural) logarithm of x. If @code{x} is real and positive,
1566 this is @code{ln(x)}. In general, @code{log(x) = log(abs(x)) + i*phase(x)}.
1567 The range of the result is the strip in the complex plane
1568 @code{-pi < imagpart(log(x)) <= pi}.
1569
1570 @item cl_R phase (const cl_N& x)
1571 @cindex @code{phase ()}
1572 Returns the angle part of @code{x} in its polar representation as a
1573 complex number. That is, @code{phase(x) = atan(realpart(x),imagpart(x))}.
1574 This is also the imaginary part of @code{log(x)}.
1575 The range of the result is the interval @code{-pi < phase(x) <= pi}.
1576 The result will be an exact number only if @code{zerop(x)} or
1577 if @code{x} is real and positive.
1578
1579 @item cl_R log (const cl_R& a, const cl_R& b)
1580 @code{a} and @code{b} must be > 0. Returns the logarithm of @code{a} with
1581 respect to base @code{b}. @code{log(a,b) = ln(a)/ln(b)}.
1582 The result can be exact only if @code{a = 1} or if @code{a} and @code{b}
1583 are both rational.
1584
1585 @item cl_N log (const cl_N& a, const cl_N& b)
1586 Returns the logarithm of @code{a} with respect to base @code{b}.
1587 @code{log(a,b) = log(a)/log(b)}.
1588
1589 @item cl_N expt (const cl_N& x, const cl_N& y)
1590 @cindex @code{expt ()}
1591 Exponentiation: Returns @code{x^y = exp(y*log(x))}.
1592 @end table
1593
1594 The constant e = exp(1) = 2.71828@dots{} is returned by the following functions:
1595
1596 @table @code
1597 @item cl_F exp1 (float_format_t f)
1598 @cindex @code{exp1 ()}
1599 Returns e as a float of format @code{f}.
1600
1601 @item cl_F exp1 (const cl_F& y)
1602 Returns e in the float format of @code{y}.
1603
1604 @item cl_F exp1 (void)
1605 Returns e as a float of format @code{default_float_format}.
1606 @end table
1607
1608
1609 @node Trigonometric functions
1610 @subsection Trigonometric functions
1611
1612 @table @code
1613 @item cl_R sin (const cl_R& x)
1614 @cindex @code{sin ()}
1615 Returns @code{sin(x)}. The range of the result is the interval
1616 @code{-1 <= sin(x) <= 1}.
1617
1618 @item cl_N sin (const cl_N& z)
1619 Returns @code{sin(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1620
1621 @item cl_R cos (const cl_R& x)
1622 @cindex @code{cos ()}
1623 Returns @code{cos(x)}. The range of the result is the interval
1624 @code{-1 <= cos(x) <= 1}.
1625
1626 @item cl_N cos (const cl_N& x)
1627 Returns @code{cos(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1628
1629 @item struct cos_sin_t @{ cl_R cos; cl_R sin; @};
1630 @cindex @code{cos_sin_t}
1631 @itemx cos_sin_t cos_sin (const cl_R& x)
1632 Returns both @code{sin(x)} and @code{cos(x)}. This is more efficient than
1633 @cindex @code{cos_sin ()}
1634 computing them separately. The relation @code{cos^2 + sin^2 = 1} will
1635 hold only approximately.
1636
1637 @item cl_R tan (const cl_R& x)
1638 @cindex @code{tan ()}
1639 @itemx cl_N tan (const cl_N& x)
1640 Returns @code{tan(x) = sin(x)/cos(x)}.
1641
1642 @item cl_N cis (const cl_R& x)
1643 @cindex @code{cis ()}
1644 @itemx cl_N cis (const cl_N& x)
1645 Returns @code{exp(i*x)}. The name @samp{cis} means ``cos + i sin'', because
1646 @code{e^(i*x) = cos(x) + i*sin(x)}.
1647
1648 @cindex @code{asin}
1649 @cindex @code{asin ()}
1650 @item cl_N asin (const cl_N& z)
1651 Returns @code{arcsin(z)}. This is defined as
1652 @code{arcsin(z) = log(iz+sqrt(1-z^2))/i} and satisfies
1653 @code{arcsin(-z) = -arcsin(z)}.
1654 The range of the result is the strip in the complex domain
1655 @code{-pi/2 <= realpart(arcsin(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1656 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1657 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart > 0}.
1658 @ignore
1659 Proof: This follows from arcsin(z) = arsinh(iz)/i and the corresponding
1660 results for arsinh.
1661 @end ignore
1662
1663 @item cl_N acos (const cl_N& z)
1664 @cindex @code{acos ()}
1665 Returns @code{arccos(z)}. This is defined as
1666 @code{arccos(z) = pi/2 - arcsin(z) = log(z+i*sqrt(1-z^2))/i}
1667 @ignore
1668  Kahan's formula:
1669  @code{arccos(z) = 2*log(sqrt((1+z)/2)+i*sqrt((1-z)/2))/i}
1670 @end ignore
1671 and satisfies @code{arccos(-z) = pi - arccos(z)}.
1672 The range of the result is the strip in the complex domain
1673 @code{0 <= realpart(arcsin(z)) <= pi}, excluding the numbers
1674 with @code{realpart = 0} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1675 with @code{realpart = pi} and @code{imagpart > 0}.
1676 @ignore
1677 Proof: This follows from the results about arcsin.
1678 @end ignore
1679
1680 @cindex @code{atan}
1681 @cindex @code{atan ()}
1682 @item cl_R atan (const cl_R& x, const cl_R& y)
1683 Returns the angle of the polar representation of the complex number
1684 @code{x+iy}. This is @code{atan(y/x)} if @code{x>0}. The range of
1685 the result is the interval @code{-pi < atan(x,y) <= pi}. The result will
1686 be an exact number only if @code{x > 0} and @code{y} is the exact @code{0}.
1687 WARNING: In Common Lisp, this function is called as @code{(atan y x)},
1688 with reversed order of arguments.
1689
1690 @item cl_R atan (const cl_R& x)
1691 Returns @code{arctan(x)}. This is the same as @code{atan(1,x)}. The range
1692 of the result is the interval @code{-pi/2 < atan(x) < pi/2}. The result
1693 will be an exact number only if @code{x} is the exact @code{0}.
1694
1695 @item cl_N atan (const cl_N& z)
1696 Returns @code{arctan(z)}. This is defined as
1697 @code{arctan(z) = (log(1+iz)-log(1-iz)) / 2i} and satisfies
1698 @code{arctan(-z) = -arctan(z)}. The range of the result is
1699 the strip in the complex domain
1700 @code{-pi/2 <= realpart(arctan(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1701 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart >= 0} and the numbers
1702 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart <= 0}.
1703 @ignore
1704 Proof: arctan(z) = artanh(iz)/i, we know the range of the artanh function.
1705 @end ignore
1706
1707 @end table
1708
1709 @cindex pi
1710 @cindex Archimedes' constant
1711 Archimedes' constant pi = 3.14@dots{} is returned by the following functions:
1712
1713 @table @code
1714 @item cl_F pi (float_format_t f)
1715 @cindex @code{pi ()}
1716 Returns pi as a float of format @code{f}.
1717
1718 @item cl_F pi (const cl_F& y)
1719 Returns pi in the float format of @code{y}.
1720
1721 @item cl_F pi (void)
1722 Returns pi as a float of format @code{default_float_format}.
1723 @end table
1724
1725
1726 @node Hyperbolic functions
1727 @subsection Hyperbolic functions
1728
1729 @table @code
1730 @item cl_R sinh (const cl_R& x)
1731 @cindex @code{sinh ()}
1732 Returns @code{sinh(x)}.
1733
1734 @item cl_N sinh (const cl_N& z)
1735 Returns @code{sinh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1736
1737 @item cl_R cosh (const cl_R& x)
1738 @cindex @code{cosh ()}
1739 Returns @code{cosh(x)}. The range of the result is the interval
1740 @code{cosh(x) >= 1}.
1741
1742 @item cl_N cosh (const cl_N& z)
1743 Returns @code{cosh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1744
1745 @item struct cosh_sinh_t @{ cl_R cosh; cl_R sinh; @};
1746 @cindex @code{cosh_sinh_t}
1747 @itemx cosh_sinh_t cosh_sinh (const cl_R& x)
1748 @cindex @code{cosh_sinh ()}
1749 Returns both @code{sinh(x)} and @code{cosh(x)}. This is more efficient than
1750 computing them separately. The relation @code{cosh^2 - sinh^2 = 1} will
1751 hold only approximately.
1752
1753 @item cl_R tanh (const cl_R& x)
1754 @cindex @code{tanh ()}
1755 @itemx cl_N tanh (const cl_N& x)
1756 Returns @code{tanh(x) = sinh(x)/cosh(x)}.
1757
1758 @item cl_N asinh (const cl_N& z)
1759 @cindex @code{asinh ()}
1760 Returns @code{arsinh(z)}. This is defined as
1761 @code{arsinh(z) = log(z+sqrt(1+z^2))} and satisfies
1762 @code{arsinh(-z) = -arsinh(z)}.
1763 @ignore
1764 Proof: Knowing the range of log, we know -pi < imagpart(arsinh(z)) <= pi.
1765 Actually, z+sqrt(1+z^2) can never be real and <0, so
1766 -pi < imagpart(arsinh(z)) < pi.
1767 We have (z+sqrt(1+z^2))*(-z+sqrt(1+(-z)^2)) = (1+z^2)-z^2 = 1, hence the
1768 logs of both factors sum up to 0 mod 2*pi*i, hence to 0.
1769 @end ignore
1770 The range of the result is the strip in the complex domain
1771 @code{-pi/2 <= imagpart(arsinh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1772 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart > 0} and the numbers
1773 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart < 0}.
1774 @ignore
1775 Proof: Write z = x+iy. Because of arsinh(-z) = -arsinh(z), we may assume
1776 that z is in Range(sqrt), that is, x>=0 and, if x=0, then y>=0.
1777 If x > 0, then Re(z+sqrt(1+z^2)) = x + Re(sqrt(1+z^2)) >= x > 0,
1778 so -pi/2 < imagpart(log(z+sqrt(1+z^2))) < pi/2.
1779 If x = 0 and y >= 0, arsinh(z) = log(i*y+sqrt(1-y^2)).
1780   If y <= 1, the realpart is 0 and the imagpart is >= 0 and <= pi/2.
1781   If y >= 1, the imagpart is pi/2 and the realpart is
1782              log(y+sqrt(y^2-1)) >= log(y) >= 0.
1783 @end ignore
1784 @ignore
1785 Moreover, if z is in Range(sqrt),
1786 log(sqrt(1+z^2)+z) = 2 artanh(z/(1+sqrt(1+z^2)))
1787 (for a proof, see file src/cl_C_asinh.cc).
1788 @end ignore
1789
1790 @item cl_N acosh (const cl_N& z)
1791 @cindex @code{acosh ()}
1792 Returns @code{arcosh(z)}. This is defined as
1793 @code{arcosh(z) = 2*log(sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))}.
1794 The range of the result is the half-strip in the complex domain
1795 @code{-pi < imagpart(arcosh(z)) <= pi, realpart(arcosh(z)) >= 0},
1796 excluding the numbers with @code{realpart = 0} and @code{-pi < imagpart < 0}.
1797 @ignore
1798 Proof: sqrt((z+1)/2) and sqrt((z-1)/2)) lie in Range(sqrt), hence does
1799 their sum, hence its log has an imagpart <= pi/2 and > -pi/2.
1800 If z is in Range(sqrt), we have
1801   sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1)
1802   ==> (sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))^2 = (z+1)/2 + sqrt(z^2-1) + (z-1)/2
1803                                       = z + sqrt(z^2-1)
1804   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) mod 2*pi*i
1805   and since the imagpart of both expressions is > -pi, <= pi
1806   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1))
1807   To prove that the realpart of this is >= 0, write z = x+iy with x>=0,
1808   z^2-1 = u+iv with u = x^2-y^2-1, v = 2xy,
1809   sqrt(z^2-1) = p+iq with p = sqrt((sqrt(u^2+v^2)+u)/2) >= 0,
1810                           q = sqrt((sqrt(u^2+v^2)-u)/2) * sign(v),
1811   then |z+sqrt(z^2-1)|^2 = |x+iy + p+iq|^2
1812           = (x+p)^2 + (y+q)^2
1813           = x^2 + 2xp + p^2 + y^2 + 2yq + q^2
1814           >= x^2 + p^2 + y^2 + q^2                 (since x>=0, p>=0, yq>=0)
1815           = x^2 + y^2 + sqrt(u^2+v^2)
1816           >= x^2 + y^2 + |u|
1817           >= x^2 + y^2 - u
1818           = 1 + 2*y^2
1819           >= 1
1820   hence realpart(log(z+sqrt(z^2-1))) = log(|z+sqrt(z^2-1)|) >= 0.
1821   Equality holds only if y = 0 and u <= 0, i.e. 0 <= x < 1.
1822   In this case arcosh(z) = log(x+i*sqrt(1-x^2)) has imagpart >=0.
1823 Otherwise, -z is in Range(sqrt).
1824   If y != 0, sqrt((z+1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z-1)/2),
1825              sqrt((z-1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z+1)/2),
1826              hence arcosh(z) = sign(y)*pi/2*i + arcosh(-z),
1827              and this has realpart > 0.
1828   If y = 0 and -1<=x<=0, we still have sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1),
1829              ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) = log(x+i*sqrt(1-x^2))
1830              has realpart = 0 and imagpart > 0.
1831   If y = 0 and x<=-1, however, sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = - sqrt(z^2-1),
1832              ==> arcosh(z) = log(z-sqrt(z^2-1)) = pi*i + arcosh(-z).
1833              This has realpart >= 0 and imagpart = pi.
1834 @end ignore
1835
1836 @item cl_N atanh (const cl_N& z)
1837 @cindex @code{atanh ()}
1838 Returns @code{artanh(z)}. This is defined as
1839 @code{artanh(z) = (log(1+z)-log(1-z)) / 2} and satisfies
1840 @code{artanh(-z) = -artanh(z)}. The range of the result is
1841 the strip in the complex domain
1842 @code{-pi/2 <= imagpart(artanh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1843 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart <= 0} and the numbers
1844 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart >= 0}.
1845 @ignore
1846 Proof: Write z = x+iy. Examine
1847   imagpart(artanh(z)) = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2.
1848   Case 1: y = 0.
1849           x > 1 ==> imagpart = -pi/2, realpart = 1/2 log((x+1)/(x-1)) > 0,
1850           x < -1 ==> imagpart = pi/2, realpart = 1/2 log((-x-1)/(-x+1)) < 0,
1851           |x| < 1 ==> imagpart = 0
1852   Case 2: y > 0.
1853           imagpart(artanh(z))
1854               = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2
1855               = ((pi/2 - atan((1+x)/y)) - (-pi/2 - atan((1-x)/-y)))/2
1856               = (pi - atan((1+x)/y) - atan((1-x)/y))/2
1857               > (pi -     pi/2      -     pi/2     )/2 = 0
1858           and (1+x)/y > (1-x)/y
1859               ==> atan((1+x)/y) > atan((-1+x)/y) = - atan((1-x)/y)
1860               ==> imagpart < pi/2.
1861           Hence 0 < imagpart < pi/2.
1862   Case 3: y < 0.
1863           By artanh(z) = -artanh(-z) and case 2, -pi/2 < imagpart < 0.
1864 @end ignore
1865 @end table
1866
1867
1868 @node Euler gamma
1869 @subsection Euler gamma
1870 @cindex Euler's constant
1871
1872 Euler's constant C = 0.577@dots{} is returned by the following functions:
1873
1874 @table @code
1875 @item cl_F eulerconst (float_format_t f)
1876 @cindex @code{eulerconst ()}
1877 Returns Euler's constant as a float of format @code{f}.
1878
1879 @item cl_F eulerconst (const cl_F& y)
1880 Returns Euler's constant in the float format of @code{y}.
1881
1882 @item cl_F eulerconst (void)
1883 Returns Euler's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1884 @end table
1885
1886 Catalan's constant G = 0.915@dots{} is returned by the following functions:
1887 @cindex Catalan's constant
1888
1889 @table @code
1890 @item cl_F catalanconst (float_format_t f)
1891 @cindex @code{catalanconst ()}
1892 Returns Catalan's constant as a float of format @code{f}.
1893
1894 @item cl_F catalanconst (const cl_F& y)
1895 Returns Catalan's constant in the float format of @code{y}.
1896
1897 @item cl_F catalanconst (void)
1898 Returns Catalan's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1899 @end table
1900
1901
1902 @node Riemann zeta
1903 @subsection Riemann zeta
1904 @cindex Riemann's zeta
1905
1906 Riemann's zeta function at an integral point @code{s>1} is returned by the
1907 following functions:
1908
1909 @table @code
1910 @item cl_F zeta (int s, float_format_t f)
1911 @cindex @code{zeta ()}
1912 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format @code{f}.
1913
1914 @item cl_F zeta (int s, const cl_F& y)
1915 Returns Riemann's zeta function at @code{s} in the float format of @code{y}.
1916
1917 @item cl_F zeta (int s)
1918 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format
1919 @code{default_float_format}.
1920 @end table
1921
1922
1923 @node Functions on integers
1924 @section Functions on integers
1925
1926 @menu
1927 * Logical functions::           
1928 * Number theoretic functions::  
1929 * Combinatorial functions::     
1930 @end menu
1931
1932 @node Logical functions
1933 @subsection Logical functions
1934
1935 Integers, when viewed as in two's complement notation, can be thought as
1936 infinite bit strings where the bits' values eventually are constant.
1937 For example,
1938 @example
1939     17 = ......00010001
1940     -6 = ......11111010
1941 @end example
1942
1943 The logical operations view integers as such bit strings and operate
1944 on each of the bit positions in parallel.
1945
1946 @table @code
1947 @item cl_I lognot (const cl_I& x)
1948 @cindex @code{lognot ()}
1949 @itemx cl_I operator ~ (const cl_I& x)
1950 @cindex @code{operator ~ ()}
1951 Logical not, like @code{~x} in C. This is the same as @code{-1-x}.
1952
1953 @item cl_I logand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1954 @cindex @code{logand ()}
1955 @itemx cl_I operator & (const cl_I& x, const cl_I& y)
1956 @cindex @code{operator & ()}
1957 Logical and, like @code{x & y} in C.
1958
1959 @item cl_I logior (const cl_I& x, const cl_I& y)
1960 @cindex @code{logior ()}
1961 @itemx cl_I operator | (const cl_I& x, const cl_I& y)
1962 @cindex @code{operator | ()}
1963 Logical (inclusive) or, like @code{x | y} in C.
1964
1965 @item cl_I logxor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1966 @cindex @code{logxor ()}
1967 @itemx cl_I operator ^ (const cl_I& x, const cl_I& y)
1968 @cindex @code{operator ^ ()}
1969 Exclusive or, like @code{x ^ y} in C.
1970
1971 @item cl_I logeqv (const cl_I& x, const cl_I& y)
1972 @cindex @code{logeqv ()}
1973 Bitwise equivalence, like @code{~(x ^ y)} in C.
1974
1975 @item cl_I lognand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1976 @cindex @code{lognand ()}
1977 Bitwise not and, like @code{~(x & y)} in C.
1978
1979 @item cl_I lognor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1980 @cindex @code{lognor ()}
1981 Bitwise not or, like @code{~(x | y)} in C.
1982
1983 @item cl_I logandc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1984 @cindex @code{logandc1 ()}
1985 Logical and, complementing the first argument, like @code{~x & y} in C.
1986
1987 @item cl_I logandc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1988 @cindex @code{logandc2 ()}
1989 Logical and, complementing the second argument, like @code{x & ~y} in C.
1990
1991 @item cl_I logorc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1992 @cindex @code{logorc1 ()}
1993 Logical or, complementing the first argument, like @code{~x | y} in C.
1994
1995 @item cl_I logorc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1996 @cindex @code{logorc2 ()}
1997 Logical or, complementing the second argument, like @code{x | ~y} in C.
1998 @end table
1999
2000 These operations are all available though the function
2001 @table @code
2002 @item cl_I boole (cl_boole op, const cl_I& x, const cl_I& y)
2003 @cindex @code{boole ()}
2004 @end table
2005 where @code{op} must have one of the 16 values (each one stands for a function
2006 which combines two bits into one bit): @code{boole_clr}, @code{boole_set},
2007 @code{boole_1}, @code{boole_2}, @code{boole_c1}, @code{boole_c2},
2008 @code{boole_and}, @code{boole_ior}, @code{boole_xor}, @code{boole_eqv},
2009 @code{boole_nand}, @code{boole_nor}, @code{boole_andc1}, @code{boole_andc2},
2010 @code{boole_orc1}, @code{boole_orc2}.
2011 @cindex @code{boole_clr}
2012 @cindex @code{boole_set}
2013 @cindex @code{boole_1}
2014 @cindex @code{boole_2}
2015 @cindex @code{boole_c1}
2016 @cindex @code{boole_c2}
2017 @cindex @code{boole_and}
2018 @cindex @code{boole_xor}
2019 @cindex @code{boole_eqv}
2020 @cindex @code{boole_nand}
2021 @cindex @code{boole_nor}
2022 @cindex @code{boole_andc1}
2023 @cindex @code{boole_andc2}
2024 @cindex @code{boole_orc1}
2025 @cindex @code{boole_orc2}
2026
2027
2028 Other functions that view integers as bit strings:
2029
2030 @table @code
2031 @item bool logtest (const cl_I& x, const cl_I& y)
2032 @cindex @code{logtest ()}
2033 Returns true if some bit is set in both @code{x} and @code{y}, i.e. if
2034 @code{logand(x,y) != 0}.
2035
2036 @item bool logbitp (const cl_I& n, const cl_I& x)
2037 @cindex @code{logbitp ()}
2038 Returns true if the @code{n}th bit (from the right) of @code{x} is set.
2039 Bit 0 is the least significant bit.
2040
2041 @item uintC logcount (const cl_I& x)
2042 @cindex @code{logcount ()}
2043 Returns the number of one bits in @code{x}, if @code{x} >= 0, or
2044 the number of zero bits in @code{x}, if @code{x} < 0.
2045 @end table
2046
2047 The following functions operate on intervals of bits in integers. 
2048 The type
2049 @example
2050 struct cl_byte @{ uintC size; uintC position; @};
2051 @end example
2052 @cindex @code{cl_byte}
2053 represents the bit interval containing the bits
2054 @code{position}@dots{}@code{position+size-1} of an integer.
2055 The constructor @code{cl_byte(size,position)} constructs a @code{cl_byte}.
2056
2057 @table @code
2058 @item cl_I ldb (const cl_I& n, const cl_byte& b)
2059 @cindex @code{ldb ()}
2060 extracts the bits of @code{n} described by the bit interval @code{b}
2061 and returns them as a nonnegative integer with @code{b.size} bits.
2062
2063 @item bool ldb_test (const cl_I& n, const cl_byte& b)
2064 @cindex @code{ldb_test ()}
2065 Returns true if some bit described by the bit interval @code{b} is set in
2066 @code{n}.
2067
2068 @item cl_I dpb (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
2069 @cindex @code{dpb ()}
2070 Returns @code{n}, with the bits described by the bit interval @code{b}
2071 replaced by @code{newbyte}. Only the lowest @code{b.size} bits of
2072 @code{newbyte} are relevant.
2073 @end table
2074
2075 The functions @code{ldb} and @code{dpb} implicitly shift. The following
2076 functions are their counterparts without shifting:
2077
2078 @table @code
2079 @item cl_I mask_field (const cl_I& n, const cl_byte& b)
2080 @cindex @code{mask_field ()}
2081 returns an integer with the bits described by the bit interval @code{b}
2082 copied from the corresponding bits in @code{n}, the other bits zero.
2083
2084 @item cl_I deposit_field (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
2085 @cindex @code{deposit_field ()}
2086 returns an integer where the bits described by the bit interval @code{b}
2087 come from @code{newbyte} and the other bits come from @code{n}.
2088 @end table
2089
2090 The following relations hold:
2091
2092 @itemize @w{}
2093 @item
2094 @code{ldb (n, b) = mask_field(n, b) >> b.position},
2095 @item
2096 @code{dpb (newbyte, n, b) = deposit_field (newbyte << b.position, n, b)},
2097 @item
2098 @code{deposit_field(newbyte,n,b) = n ^ mask_field(n,b) ^ mask_field(new_byte,b)}.
2099 @end itemize
2100
2101 The following operations on integers as bit strings are efficient shortcuts
2102 for common arithmetic operations:
2103
2104 @table @code
2105 @item bool oddp (const cl_I& x)
2106 @cindex @code{oddp ()}
2107 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 1. Equivalent to
2108 @code{mod(x,2) != 0}.
2109
2110 @item bool evenp (const cl_I& x)
2111 @cindex @code{evenp ()}
2112 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 0. Equivalent to
2113 @code{mod(x,2) == 0}.
2114
2115 @item cl_I operator << (const cl_I& x, const cl_I& n)
2116 @cindex @code{operator << ()}
2117 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the left. @code{n} should be >=0.
2118 Equivalent to @code{x * expt(2,n)}.
2119
2120 @item cl_I operator >> (const cl_I& x, const cl_I& n)
2121 @cindex @code{operator >> ()}
2122 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the right. @code{n} should be >=0.
2123 Bits shifted out to the right are thrown away.
2124 Equivalent to @code{floor(x / expt(2,n))}.
2125
2126 @item cl_I ash (const cl_I& x, const cl_I& y)
2127 @cindex @code{ash ()}
2128 Shifts @code{x} by @code{y} bits to the left (if @code{y}>=0) or
2129 by @code{-y} bits to the right (if @code{y}<=0). In other words, this
2130 returns @code{floor(x * expt(2,y))}.
2131
2132 @item uintC integer_length (const cl_I& x)
2133 @cindex @code{integer_length ()}
2134 Returns the number of bits (excluding the sign bit) needed to represent @code{x}
2135 in two's complement notation. This is the smallest n >= 0 such that
2136 -2^n <= x < 2^n. If x > 0, this is the unique n > 0 such that
2137 2^(n-1) <= x < 2^n.
2138
2139 @item uintC ord2 (const cl_I& x)
2140 @cindex @code{ord2 ()}
2141 @code{x} must be non-zero. This function returns the number of 0 bits at the
2142 right of @code{x} in two's complement notation. This is the largest n >= 0
2143 such that 2^n divides @code{x}.
2144
2145 @item uintC power2p (const cl_I& x)
2146 @cindex @code{power2p ()}
2147 @code{x} must be > 0. This function checks whether @code{x} is a power of 2.
2148 If @code{x} = 2^(n-1), it returns n. Else it returns 0.
2149 (See also the function @code{logp}.)
2150 @end table
2151
2152
2153 @node Number theoretic functions
2154 @subsection Number theoretic functions
2155
2156 @table @code
2157 @item uint32 gcd (unsigned long a, unsigned long b)
2158 @cindex @code{gcd ()}
2159 @itemx cl_I gcd (const cl_I& a, const cl_I& b)
2160 This function returns the greatest common divisor of @code{a} and @code{b},
2161 normalized to be >= 0.
2162
2163 @item cl_I xgcd (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_I* u, cl_I* v)
2164 @cindex @code{xgcd ()}
2165 This function (``extended gcd'') returns the greatest common divisor @code{g} of
2166 @code{a} and @code{b} and at the same time the representation of @code{g}
2167 as an integral linear combination of @code{a} and @code{b}:
2168 @code{u} and @code{v} with @code{u*a+v*b = g}, @code{g} >= 0.
2169 @code{u} and @code{v} will be normalized to be of smallest possible absolute
2170 value, in the following sense: If @code{a} and @code{b} are non-zero, and
2171 @code{abs(a) != abs(b)}, @code{u} and @code{v} will satisfy the inequalities
2172 @code{abs(u) <= abs(b)/(2*g)}, @code{abs(v) <= abs(a)/(2*g)}.
2173
2174 @item cl_I lcm (const cl_I& a, const cl_I& b)
2175 @cindex @code{lcm ()}
2176 This function returns the least common multiple of @code{a} and @code{b},
2177 normalized to be >= 0.
2178
2179 @item bool logp (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_RA* l)
2180 @cindex @code{logp ()}
2181 @itemx bool logp (const cl_RA& a, const cl_RA& b, cl_RA* l)
2182 @code{a} must be > 0. @code{b} must be >0 and != 1. If log(a,b) is
2183 rational number, this function returns true and sets *l = log(a,b), else
2184 it returns false.
2185
2186 @item int jacobi (signed long a, signed long b)
2187 @cindex @code{jacobi()}
2188 @itemx int jacobi (const cl_I& a, const cl_I& b)
2189 Returns the Jacobi symbol 
2190 @tex 
2191 $\left({a\over b}\right)$,
2192 @end tex
2193 @ifnottex 
2194 (a/b),
2195 @end ifnottex
2196 @code{a,b} must be integers, @code{b>0} and odd. The result is 0
2197 iff gcd(a,b)>1.
2198
2199 @item bool isprobprime (const cl_I& n)
2200 @cindex prime
2201 @cindex @code{isprobprime()}
2202 Returns true if @code{n} is a small prime or passes the Miller-Rabin 
2203 primality test. The probability of a false positive is 1:10^30.
2204
2205 @item cl_I nextprobprime (const cl_R& x)
2206 @cindex @code{nextprobprime()}
2207 Returns the smallest probable prime >=@code{x}.
2208 @end table
2209
2210
2211 @node Combinatorial functions
2212 @subsection Combinatorial functions
2213
2214 @table @code
2215 @item cl_I factorial (uintL n)
2216 @cindex @code{factorial ()}
2217 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the factorial
2218 @code{n}! = @code{1*2*@dots{}*n}.
2219
2220 @item cl_I doublefactorial (uintL n)
2221 @cindex @code{doublefactorial ()}
2222 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the 
2223 doublefactorial @code{n}!! = @code{1*3*@dots{}*n} or 
2224 @code{n}!! = @code{2*4*@dots{}*n}, respectively.
2225
2226 @item cl_I binomial (uintL n, uintL k)
2227 @cindex @code{binomial ()}
2228 @code{n} and @code{k} must be small integers >= 0. This function returns the
2229 binomial coefficient
2230 @tex
2231 ${n \choose k} = {n! \over k! (n-k)!}$
2232 @end tex
2233 @ifinfo
2234 (@code{n} choose @code{k}) = @code{n}! / @code{k}! @code{(n-k)}!
2235 @end ifinfo
2236 for 0 <= k <= n, 0 else.
2237 @end table
2238
2239
2240 @node Functions on floating-point numbers
2241 @section Functions on floating-point numbers
2242
2243 Recall that a floating-point number consists of a sign @code{s}, an
2244 exponent @code{e} and a mantissa @code{m}. The value of the number is
2245 @code{(-1)^s * 2^e * m}.
2246
2247 Each of the classes
2248 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2249 defines the following operations.
2250
2251 @table @code
2252 @item @var{type} scale_float (const @var{type}& x, sintC delta)
2253 @cindex @code{scale_float ()}
2254 @itemx @var{type} scale_float (const @var{type}& x, const cl_I& delta)
2255 Returns @code{x*2^delta}. This is more efficient than an explicit multiplication
2256 because it copies @code{x} and modifies the exponent.
2257 @end table
2258
2259 The following functions provide an abstract interface to the underlying
2260 representation of floating-point numbers.
2261
2262 @table @code
2263 @item sintE float_exponent (const @var{type}& x)
2264 @cindex @code{float_exponent ()}
2265 Returns the exponent @code{e} of @code{x}.
2266 For @code{x = 0.0}, this is 0. For @code{x} non-zero, this is the unique
2267 integer with @code{2^(e-1) <= abs(x) < 2^e}.
2268
2269 @item sintL float_radix (const @var{type}& x)
2270 @cindex @code{float_radix ()}
2271 Returns the base of the floating-point representation. This is always @code{2}.
2272
2273 @item @var{type} float_sign (const @var{type}& x)
2274 @cindex @code{float_sign ()}
2275 Returns the sign @code{s} of @code{x} as a float. The value is 1 for
2276 @code{x} >= 0, -1 for @code{x} < 0.
2277
2278 @item uintC float_digits (const @var{type}& x)
2279 @cindex @code{float_digits ()}
2280 Returns the number of mantissa bits in the floating-point representation
2281 of @code{x}, including the hidden bit. The value only depends on the type
2282 of @code{x}, not on its value.
2283
2284 @item uintC float_precision (const @var{type}& x)
2285 @cindex @code{float_precision ()}
2286 Returns the number of significant mantissa bits in the floating-point
2287 representation of @code{x}. Since denormalized numbers are not supported,
2288 this is the same as @code{float_digits(x)} if @code{x} is non-zero, and
2289 0 if @code{x} = 0.
2290 @end table
2291
2292 The complete internal representation of a float is encoded in the type
2293 @cindex @code{decoded_float}
2294 @cindex @code{decoded_sfloat}
2295 @cindex @code{decoded_ffloat}
2296 @cindex @code{decoded_dfloat}
2297 @cindex @code{decoded_lfloat}
2298 @code{decoded_float} (or @code{decoded_sfloat}, @code{decoded_ffloat},
2299 @code{decoded_dfloat}, @code{decoded_lfloat}, respectively), defined by
2300 @example
2301 struct decoded_@var{type}float @{
2302         @var{type} mantissa; cl_I exponent; @var{type} sign;
2303 @};
2304 @end example
2305
2306 and returned by the function
2307
2308 @table @code
2309 @item decoded_@var{type}float decode_float (const @var{type}& x)
2310 @cindex @code{decode_float ()}
2311 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2312 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{0.5 <= m < 1.0}. For @code{x} = 0,
2313 it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2314 @code{e} is the same as returned by the function @code{float_exponent}.
2315 @end table
2316
2317 A complete decoding in terms of integers is provided as type
2318 @cindex @code{cl_idecoded_float}
2319 @example
2320 struct cl_idecoded_float @{
2321         cl_I mantissa; cl_I exponent; cl_I sign;
2322 @};
2323 @end example
2324 by the following function:
2325
2326 @table @code
2327 @item cl_idecoded_float integer_decode_float (const @var{type}& x)
2328 @cindex @code{integer_decode_float ()}
2329 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2330 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{m} an integer with @code{float_digits(x)}
2331 bits. For @code{x} = 0, it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2332 WARNING: The exponent @code{e} is not the same as the one returned by
2333 the functions @code{decode_float} and @code{float_exponent}.
2334 @end table
2335
2336 Some other function, implemented only for class @code{cl_F}:
2337
2338 @table @code
2339 @item cl_F float_sign (const cl_F& x, const cl_F& y)
2340 @cindex @code{float_sign ()}
2341 This returns a floating point number whose precision and absolute value
2342 is that of @code{y} and whose sign is that of @code{x}. If @code{x} is
2343 zero, it is treated as positive. Same for @code{y}.
2344 @end table
2345
2346
2347 @node Conversion functions
2348 @section Conversion functions
2349 @cindex conversion
2350
2351 @menu
2352 * Conversion to floating-point numbers::  
2353 * Conversion to rational numbers::  
2354 @end menu
2355
2356 @node Conversion to floating-point numbers
2357 @subsection Conversion to floating-point numbers
2358
2359 The type @code{float_format_t} describes a floating-point format.
2360 @cindex @code{float_format_t}
2361
2362 @table @code
2363 @item float_format_t float_format (uintE n)
2364 @cindex @code{float_format ()}
2365 Returns the smallest float format which guarantees at least @code{n}
2366 decimal digits in the mantissa (after the decimal point).
2367
2368 @item float_format_t float_format (const cl_F& x)
2369 Returns the floating point format of @code{x}.
2370
2371 @item float_format_t default_float_format
2372 @cindex @code{default_float_format}
2373 Global variable: the default float format used when converting rational numbers
2374 to floats.
2375 @end table
2376
2377 To convert a real number to a float, each of the types
2378 @code{cl_R}, @code{cl_F}, @code{cl_I}, @code{cl_RA},
2379 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{float}, @code{double}
2380 defines the following operations:
2381
2382 @table @code
2383 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, float_format_t f)
2384 @cindex @code{cl_float ()}
2385 Returns @code{x} as a float of format @code{f}.
2386 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, const cl_F& y)
2387 Returns @code{x} in the float format of @code{y}.
2388 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x)
2389 Returns @code{x} as a float of format @code{default_float_format} if
2390 it is an exact number, or @code{x} itself if it is already a float.
2391 @end table
2392
2393 Of course, converting a number to a float can lose precision.
2394
2395 Every floating-point format has some characteristic numbers:
2396
2397 @table @code
2398 @item cl_F most_positive_float (float_format_t f)
2399 @cindex @code{most_positive_float ()}
2400 Returns the largest (most positive) floating point number in float format @code{f}.
2401
2402 @item cl_F most_negative_float (float_format_t f)
2403 @cindex @code{most_negative_float ()}
2404 Returns the smallest (most negative) floating point number in float format @code{f}.
2405
2406 @item cl_F least_positive_float (float_format_t f)
2407 @cindex @code{least_positive_float ()}
2408 Returns the least positive floating point number (i.e. > 0 but closest to 0)
2409 in float format @code{f}.
2410
2411 @item cl_F least_negative_float (float_format_t f)
2412 @cindex @code{least_negative_float ()}
2413 Returns the least negative floating point number (i.e. < 0 but closest to 0)
2414 in float format @code{f}.
2415
2416 @item cl_F float_epsilon (float_format_t f)
2417 @cindex @code{float_epsilon ()}
2418 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1+e != 1}.
2419
2420 @item cl_F float_negative_epsilon (float_format_t f)
2421 @cindex @code{float_negative_epsilon ()}
2422 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1-e != 1}.
2423 @end table
2424
2425
2426 @node Conversion to rational numbers
2427 @subsection Conversion to rational numbers
2428
2429 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_F}
2430 defines the following operation:
2431
2432 @table @code
2433 @item cl_RA rational (const @var{type}& x)
2434 @cindex @code{rational ()}
2435 Returns the value of @code{x} as an exact number. If @code{x} is already
2436 an exact number, this is @code{x}. If @code{x} is a floating-point number,
2437 the value is a rational number whose denominator is a power of 2.
2438 @end table
2439
2440 In order to convert back, say, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3"} to @code{1/3}, there is
2441 the function
2442
2443 @table @code
2444 @item cl_RA rationalize (const cl_R& x)
2445 @cindex @code{rationalize ()}
2446 If @code{x} is a floating-point number, it actually represents an interval
2447 of real numbers, and this function returns the rational number with
2448 smallest denominator (and smallest numerator, in magnitude)
2449 which lies in this interval.
2450 If @code{x} is already an exact number, this function returns @code{x}.
2451 @end table
2452
2453 If @code{x} is any float, one has
2454
2455 @itemize @w{}
2456 @item
2457 @code{cl_float(rational(x),x) = x}
2458 @item
2459 @code{cl_float(rationalize(x),x) = x}
2460 @end itemize
2461
2462
2463 @node Random number generators
2464 @section Random number generators
2465
2466
2467 A random generator is a machine which produces (pseudo-)random numbers.
2468 The include file @code{<cln/random.h>} defines a class @code{random_state}
2469 which contains the state of a random generator. If you make a copy
2470 of the random number generator, the original one and the copy will produce
2471 the same sequence of random numbers.
2472
2473 The following functions return (pseudo-)random numbers in different formats.
2474 Calling one of these modifies the state of the random number generator in
2475 a complicated but deterministic way.
2476
2477 The global variable
2478 @cindex @code{random_state}
2479 @cindex @code{default_random_state}
2480 @example
2481 random_state default_random_state
2482 @end example
2483 contains a default random number generator. It is used when the functions
2484 below are called without @code{random_state} argument.
2485
2486 @table @code
2487 @item uint32 random32 (random_state& randomstate)
2488 @itemx uint32 random32 ()
2489 @cindex @code{random32 ()}
2490 Returns a random unsigned 32-bit number. All bits are equally random.
2491
2492 @item cl_I random_I (random_state& randomstate, const cl_I& n)
2493 @itemx cl_I random_I (const cl_I& n)
2494 @cindex @code{random_I ()}
2495 @code{n} must be an integer > 0. This function returns a random integer @code{x}
2496 in the range @code{0 <= x < n}.
2497
2498 @item cl_F random_F (random_state& randomstate, const cl_F& n)
2499 @itemx cl_F random_F (const cl_F& n)
2500 @cindex @code{random_F ()}
2501 @code{n} must be a float > 0. This function returns a random floating-point
2502 number of the same format as @code{n} in the range @code{0 <= x < n}.
2503
2504 @item cl_R random_R (random_state& randomstate, const cl_R& n)
2505 @itemx cl_R random_R (const cl_R& n)
2506 @cindex @code{random_R ()}
2507 Behaves like @code{random_I} if @code{n} is an integer and like @code{random_F}
2508 if @code{n} is a float.
2509 @end table
2510
2511
2512 @node Modifying operators
2513 @section Modifying operators
2514 @cindex modifying operators
2515
2516 The modifying C/C++ operators @code{+=}, @code{-=}, @code{*=}, @code{/=},
2517 @code{&=}, @code{|=}, @code{^=}, @code{<<=}, @code{>>=}
2518 are all available.
2519
2520 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
2521 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2522
2523 @table @code
2524 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2525 @cindex @code{operator += ()}
2526 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2527 @cindex @code{operator -= ()}
2528 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2529 @cindex @code{operator *= ()}
2530 @itemx @var{type}& operator /= (@var{type}&, const @var{type}&)
2531 @cindex @code{operator /= ()}
2532 @end table
2533
2534 For the class @code{cl_I}:
2535
2536 @table @code
2537 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2538 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2539 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2540 @itemx @var{type}& operator &= (@var{type}&, const @var{type}&)
2541 @cindex @code{operator &= ()}
2542 @itemx @var{type}& operator |= (@var{type}&, const @var{type}&)
2543 @cindex @code{operator |= ()}
2544 @itemx @var{type}& operator ^= (@var{type}&, const @var{type}&)
2545 @cindex @code{operator ^= ()}
2546 @itemx @var{type}& operator <<= (@var{type}&, const @var{type}&)
2547 @cindex @code{operator <<= ()}
2548 @itemx @var{type}& operator >>= (@var{type}&, const @var{type}&)
2549 @cindex @code{operator >>= ()}
2550 @end table
2551
2552 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2553 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2554
2555 @table @code
2556 @item @var{type}& operator ++ (@var{type}& x)
2557 @cindex @code{operator ++ ()}
2558 The prefix operator @code{++x}.
2559
2560 @item void operator ++ (@var{type}& x, int)
2561 The postfix operator @code{x++}.
2562
2563 @item @var{type}& operator -- (@var{type}& x)
2564 @cindex @code{operator -- ()}
2565 The prefix operator @code{--x}.
2566
2567 @item void operator -- (@var{type}& x, int)
2568 The postfix operator @code{x--}.
2569 @end table
2570
2571 Note that by using these modifying operators, you don't gain efficiency:
2572 In CLN @samp{x += y;} is exactly the same as  @samp{x = x+y;}, not more
2573 efficient.
2574
2575
2576 @node Input/Output
2577 @chapter Input/Output
2578 @cindex Input/Output
2579
2580 @menu
2581 * Internal and printed representation::  
2582 * Input functions::             
2583 * Output functions::            
2584 @end menu
2585
2586 @node Internal and printed representation
2587 @section Internal and printed representation
2588 @cindex representation
2589
2590 All computations deal with the internal representations of the numbers.
2591
2592 Every number has an external representation as a sequence of ASCII characters.
2593 Several external representations may denote the same number, for example,
2594 "20.0" and "20.000".
2595
2596 Converting an internal to an external representation is called ``printing'',
2597 @cindex printing
2598 converting an external to an internal representation is called ``reading''.
2599 @cindex reading
2600 In CLN, it is always true that conversion of an internal to an external
2601 representation and then back to an internal representation will yield the
2602 same internal representation. Symbolically: @code{read(print(x)) == x}.
2603 This is called ``print-read consistency''. 
2604
2605 Different types of numbers have different external representations (case
2606 is insignificant):
2607
2608 @table @asis
2609 @item Integers
2610 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+. The reader also accepts the
2611 Common Lisp syntaxes @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{.} with a trailing dot
2612 for decimal integers
2613 and the @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes.
2614
2615 @item Rational numbers
2616 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{/}@{@var{digit}@}+.
2617 The @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes are allowed
2618 here as well.
2619
2620 @item Floating-point numbers
2621 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2622 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2623 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}+. A precision specifier
2624 of the form _@var{prec} may be appended. There must be at least
2625 one digit in the non-exponent part. The exponent has the syntax
2626 @var{expmarker} @var{expsign} @{@var{digit}@}+.
2627 The exponent marker is
2628
2629 @itemize @w{}
2630 @item
2631 @samp{s} for short-floats,
2632 @item
2633 @samp{f} for single-floats,
2634 @item
2635 @samp{d} for double-floats,
2636 @item
2637 @samp{L} for long-floats,
2638 @end itemize
2639
2640 or @samp{e}, which denotes a default float format. The precision specifying
2641 suffix has the syntax _@var{prec} where @var{prec} denotes the number of
2642 valid mantissa digits (in decimal, excluding leading zeroes), cf. also
2643 function @samp{float_format}.
2644
2645 @item Complex numbers
2646 External representation:
2647 @itemize @w{}
2648 @item
2649 In algebraic notation: @code{@var{realpart}+@var{imagpart}i}. Of course,
2650 if @var{imagpart} is negative, its printed representation begins with
2651 a @samp{-}, and the @samp{+} between @var{realpart} and @var{imagpart}
2652 may be omitted. Note that this notation cannot be used when the @var{imagpart}
2653 is rational and the rational number's base is >18, because the @samp{i}
2654 is then read as a digit.
2655 @item
2656 In Common Lisp notation: @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}.
2657 @end itemize
2658 @end table
2659
2660
2661 @node Input functions
2662 @section Input functions
2663
2664 Including @code{<cln/io.h>} defines flexible input functions:
2665
2666 @table @code
2667 @item cl_N read_complex (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2668 @itemx cl_R read_real (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2669 @itemx cl_F read_float (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2670 @itemx cl_RA read_rational (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2671 @itemx cl_I read_integer (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2672 Reads a number from @code{stream}. The @code{flags} are parameters which
2673 affect the input syntax. Whitespace before the number is silently skipped.
2674
2675 @item cl_N read_complex (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2676 @itemx cl_R read_real (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2677 @itemx cl_F read_float (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2678 @itemx cl_RA read_rational (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2679 @itemx cl_I read_integer (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2680 Reads a number from a string in memory. The @code{flags} are parameters which
2681 affect the input syntax. The string starts at @code{string} and ends at
2682 @code{string_limit} (exclusive limit). @code{string_limit} may also be
2683 @code{NULL}, denoting the entire string, i.e. equivalent to
2684 @code{string_limit = string + strlen(string)}. If @code{end_of_parse} is
2685 @code{NULL}, the string in memory must contain exactly one number and nothing
2686 more, else an exception will be thrown. If @code{end_of_parse}
2687 is not @code{NULL}, @code{*end_of_parse} will be assigned a pointer past
2688 the last parsed character (i.e. @code{string_limit} if nothing came after
2689 the number). Whitespace is not allowed.
2690 @end table
2691
2692 The structure @code{cl_read_flags} contains the following fields:
2693
2694 @table @code
2695 @item cl_read_syntax_t syntax
2696 The possible results of the read operation. Possible values are
2697 @code{syntax_number}, @code{syntax_real}, @code{syntax_rational},
2698 @code{syntax_integer}, @code{syntax_float}, @code{syntax_sfloat},
2699 @code{syntax_ffloat}, @code{syntax_dfloat}, @code{syntax_lfloat}.
2700
2701 @item cl_read_lsyntax_t lsyntax
2702 Specifies the language-dependent syntax variant for the read operation.
2703 Possible values are
2704
2705 @table @code
2706 @item lsyntax_standard
2707 accept standard algebraic notation only, no complex numbers,
2708 @item lsyntax_algebraic
2709 accept the algebraic notation @code{@var{x}+@var{y}i} for complex numbers,
2710 @item lsyntax_commonlisp
2711 accept the @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} syntaxes for binary, octal,
2712 hexadecimal numbers,
2713 @code{#@var{base}R} for rational numbers in a given base,
2714 @code{#c(@var{realpart} @var{imagpart})} for complex numbers,
2715 @item lsyntax_all
2716 accept all of these extensions.
2717 @end table
2718
2719 @item unsigned int rational_base
2720 The base in which rational numbers are read.
2721
2722 @item float_format_t float_flags.default_float_format
2723 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{e}.
2724
2725 @item float_format_t float_flags.default_lfloat_format
2726 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{l}.
2727
2728 @item bool float_flags.mantissa_dependent_float_format
2729 When this flag is true, floats specified with more digits than corresponding
2730 to the exponent marker they contain, but without @var{_nnn} suffix, will get a
2731 precision corresponding to their number of significant digits.
2732 @end table
2733
2734
2735 @node Output functions
2736 @section Output functions
2737
2738 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple output functions
2739 that write to @code{std::ostream&}:
2740
2741 @table @code
2742 @item void fprintchar (std::ostream& stream, char c)
2743 Prints the character @code{x} literally on the @code{stream}.
2744
2745 @item void fprint (std::ostream& stream, const char * string)
2746 Prints the @code{string} literally on the @code{stream}.
2747
2748 @item void fprintdecimal (std::ostream& stream, int x)
2749 @itemx void fprintdecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2750 Prints the integer @code{x} in decimal on the @code{stream}.
2751
2752 @item void fprintbinary (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2753 Prints the integer @code{x} in binary (base 2, without prefix)
2754 on the @code{stream}.
2755
2756 @item void fprintoctal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2757 Prints the integer @code{x} in octal (base 8, without prefix)
2758 on the @code{stream}.
2759
2760 @item void fprinthexadecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2761 Prints the integer @code{x} in hexadecimal (base 16, without prefix)
2762 on the @code{stream}.
2763 @end table
2764
2765 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2766 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2767 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following output functions:
2768
2769 @table @code
2770 @item void fprint (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2771 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2772 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2773 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2774 The @code{ostream} flags and settings (flags, width and locale) are
2775 ignored.
2776 @end table
2777
2778 The most flexible output function, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2779 are the following:
2780 @example
2781 void print_complex  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2782                      const cl_N& z);
2783 void print_real     (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2784                      const cl_R& z);
2785 void print_float    (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2786                      const cl_F& z);
2787 void print_rational (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2788                      const cl_RA& z);
2789 void print_integer  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2790                      const cl_I& z);
2791 @end example
2792 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The @code{flags} are
2793 parameters which affect the output.
2794
2795 The structure type @code{cl_print_flags} contains the following fields:
2796
2797 @table @code
2798 @item unsigned int rational_base
2799 The base in which rational numbers are printed. Default is @code{10}.
2800
2801 @item bool rational_readably
2802 If this flag is true, rational numbers are printed with radix specifiers in
2803 Common Lisp syntax (@code{#@var{n}R} or @code{#b} or @code{#o} or @code{#x}
2804 prefixes, trailing dot). Default is false.
2805
2806 @item bool float_readably
2807 If this flag is true, type specific exponent markers have precedence over 'E'.
2808 Default is false.
2809
2810 @item float_format_t default_float_format
2811 Floating point numbers of this format will be printed using the 'E' exponent
2812 marker. Default is @code{float_format_ffloat}.
2813
2814 @item bool complex_readably
2815 If this flag is true, complex numbers will be printed using the Common Lisp
2816 syntax @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}. Default is false.
2817
2818 @item cl_string univpoly_varname
2819 Univariate polynomials with no explicit indeterminate name will be printed
2820 using this variable name. Default is @code{"x"}.
2821 @end table
2822
2823 The global variable @code{default_print_flags} contains the default values,
2824 used by the function @code{fprint}.
2825
2826
2827 @node Rings
2828 @chapter Rings
2829
2830 CLN has a class of abstract rings.
2831
2832 @example
2833                          Ring
2834                        cl_ring
2835                      <cln/ring.h>
2836 @end example
2837
2838 Rings can be compared for equality:
2839
2840 @table @code
2841 @item bool operator== (const cl_ring&, const cl_ring&)
2842 @itemx bool operator!= (const cl_ring&, const cl_ring&)
2843 These compare two rings for equality.
2844 @end table
2845
2846 Given a ring @code{R}, the following members can be used.
2847
2848 @table @code
2849 @item void R->fprint (std::ostream& stream, const cl_ring_element& x)
2850 @cindex @code{fprint ()}
2851 @itemx bool R->equal (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2852 @cindex @code{equal ()}
2853 @itemx cl_ring_element R->zero ()
2854 @cindex @code{zero ()}
2855 @itemx bool R->zerop (const cl_ring_element& x)
2856 @cindex @code{zerop ()}
2857 @itemx cl_ring_element R->plus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2858 @cindex @code{plus ()}
2859 @itemx cl_ring_element R->minus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2860 @cindex @code{minus ()}
2861 @itemx cl_ring_element R->uminus (const cl_ring_element& x)
2862 @cindex @code{uminus ()}
2863 @itemx cl_ring_element R->one ()
2864 @cindex @code{one ()}
2865 @itemx cl_ring_element R->canonhom (const cl_I& x)
2866 @cindex @code{canonhom ()}
2867 @itemx cl_ring_element R->mul (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2868 @cindex @code{mul ()}
2869 @itemx cl_ring_element R->square (const cl_ring_element& x)
2870 @cindex @code{square ()}
2871 @itemx cl_ring_element R->expt_pos (const cl_ring_element& x, const cl_I& y)
2872 @cindex @code{expt_pos ()}
2873 @end table
2874
2875 The following rings are built-in.
2876
2877 @table @code
2878 @item cl_null_ring cl_0_ring
2879 The null ring, containing only zero.
2880
2881 @item cl_complex_ring cl_C_ring
2882 The ring of complex numbers. This corresponds to the type @code{cl_N}.
2883
2884 @item cl_real_ring cl_R_ring
2885 The ring of real numbers. This corresponds to the type @code{cl_R}.
2886
2887 @item cl_rational_ring cl_RA_ring
2888 The ring of rational numbers. This corresponds to the type @code{cl_RA}.
2889
2890 @item cl_integer_ring cl_I_ring
2891 The ring of integers. This corresponds to the type @code{cl_I}.
2892 @end table
2893
2894 Type tests can be performed for any of @code{cl_C_ring}, @code{cl_R_ring},
2895 @code{cl_RA_ring}, @code{cl_I_ring}:
2896
2897 @table @code
2898 @item bool instanceof (const cl_number& x, const cl_number_ring& R)
2899 @cindex @code{instanceof ()}
2900 Tests whether the given number is an element of the number ring R.
2901 @end table
2902
2903
2904 @node Modular integers
2905 @chapter Modular integers
2906 @cindex modular integer
2907
2908 @menu
2909 * Modular integer rings::       
2910 * Functions on modular integers::  
2911 @end menu
2912
2913 @node Modular integer rings
2914 @section Modular integer rings
2915 @cindex ring
2916
2917 CLN implements modular integers, i.e. integers modulo a fixed integer N.
2918 The modulus is explicitly part of every modular integer. CLN doesn't
2919 allow you to (accidentally) mix elements of different modular rings,
2920 e.g. @code{(3 mod 4) + (2 mod 5)} will result in a runtime error.
2921 (Ideally one would imagine a generic data type @code{cl_MI(N)}, but C++
2922 doesn't have generic types. So one has to live with runtime checks.)
2923
2924 The class of modular integer rings is
2925
2926 @example
2927                          Ring
2928                        cl_ring
2929                      <cln/ring.h>
2930                           |
2931                           |
2932                  Modular integer ring
2933                     cl_modint_ring
2934                   <cln/modinteger.h>
2935 @end example
2936 @cindex @code{cl_modint_ring}
2937
2938 and the class of all modular integers (elements of modular integer rings) is
2939
2940 @example
2941                     Modular integer
2942                          cl_MI
2943                    <cln/modinteger.h>
2944 @end example
2945
2946 Modular integer rings are constructed using the function
2947
2948 @table @code
2949 @item cl_modint_ring find_modint_ring (const cl_I& N)
2950 @cindex @code{find_modint_ring ()}
2951 This function returns the modular ring @samp{Z/NZ}. It takes care
2952 of finding out about special cases of @code{N}, like powers of two
2953 and odd numbers for which Montgomery multiplication will be a win,
2954 @cindex Montgomery multiplication
2955 and precomputes any necessary auxiliary data for computing modulo @code{N}.
2956 There is a cache table of rings, indexed by @code{N} (or, more precisely,
2957 by @code{abs(N)}). This ensures that the precomputation costs are reduced
2958 to a minimum.
2959 @end table
2960
2961 Modular integer rings can be compared for equality:
2962
2963 @table @code
2964 @item bool operator== (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2965 @cindex @code{operator == ()}
2966 @itemx bool operator!= (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2967 @cindex @code{operator != ()}
2968 These compare two modular integer rings for equality. Two different calls
2969 to @code{find_modint_ring} with the same argument necessarily return the
2970 same ring because it is memoized in the cache table.
2971 @end table
2972
2973 @node Functions on modular integers
2974 @section Functions on modular integers
2975
2976 Given a modular integer ring @code{R}, the following members can be used.
2977
2978 @table @code
2979 @item cl_I R->modulus
2980 @cindex @code{modulus}
2981 This is the ring's modulus, normalized to be nonnegative: @code{abs(N)}.
2982
2983 @item cl_MI R->zero()
2984 @cindex @code{zero ()}
2985 This returns @code{0 mod N}.
2986
2987 @item cl_MI R->one()
2988 @cindex @code{one ()}
2989 This returns @code{1 mod N}.
2990
2991 @item cl_MI R->canonhom (const cl_I& x)
2992 @cindex @code{canonhom ()}
2993 This returns @code{x mod N}.
2994
2995 @item cl_I R->retract (const cl_MI& x)
2996 @cindex @code{retract ()}
2997 This is a partial inverse function to @code{R->canonhom}. It returns the
2998 standard representative (@code{>=0}, @code{<N}) of @code{x}.
2999
3000 @item cl_MI R->random(random_state& randomstate)
3001 @itemx cl_MI R->random()
3002 @cindex @code{random ()}
3003 This returns a random integer modulo @code{N}.
3004 @end table
3005
3006 The following operations are defined on modular integers.
3007
3008 @table @code
3009 @item cl_modint_ring x.ring ()
3010 @cindex @code{ring ()}
3011 Returns the ring to which the modular integer @code{x} belongs.
3012
3013 @item cl_MI operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)
3014 @cindex @code{operator + ()}
3015 Returns the sum of two modular integers. One of the arguments may also
3016 be a plain integer.
3017
3018 @item cl_MI operator- (const cl_MI&, const cl_MI&)
3019 @cindex @code{operator - ()}
3020 Returns the difference of two modular integers. One of the arguments may also
3021 be a plain integer.
3022
3023 @item cl_MI operator- (const cl_MI&)
3024 Returns the negative of a modular integer.
3025
3026 @item cl_MI operator* (const cl_MI&, const cl_MI&)
3027 @cindex @code{operator * ()}
3028 Returns the product of two modular integers. One of the arguments may also
3029 be a plain integer.
3030
3031 @item cl_MI square (const cl_MI&)
3032 @cindex @code{square ()}
3033 Returns the square of a modular integer.
3034
3035 @item cl_MI recip (const cl_MI& x)
3036 @cindex @code{recip ()}
3037 Returns the reciprocal @code{x^-1} of a modular integer @code{x}. @code{x}
3038 must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
3039
3040 @item cl_MI div (const cl_MI& x, const cl_MI& y)
3041 @cindex @code{div ()}
3042 Returns the quotient @code{x*y^-1} of two modular integers @code{x}, @code{y}.
3043 @code{y} must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
3044
3045 @item cl_MI expt_pos (const cl_MI& x, const cl_I& y)
3046 @cindex @code{expt_pos ()}
3047 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3048
3049 @item cl_MI expt (const cl_MI& x, const cl_I& y)
3050 @cindex @code{expt ()}
3051 Returns @code{x^y}. If @code{y} is negative, @code{x} must be coprime to the
3052 modulus, else an error message is issued.
3053
3054 @item cl_MI operator<< (const cl_MI& x, const cl_I& y)
3055 @cindex @code{operator << ()}
3056 Returns @code{x*2^y}.
3057
3058 @item cl_MI operator>> (const cl_MI& x, const cl_I& y)
3059 @cindex @code{operator >> ()}
3060 Returns @code{x*2^-y}. When @code{y} is positive, the modulus must be odd,
3061 or an error message is issued.
3062
3063 @item bool operator== (const cl_MI&, const cl_MI&)
3064 @cindex @code{operator == ()}
3065 @itemx bool operator!= (const cl_MI&, const cl_MI&)
3066 @cindex @code{operator != ()}
3067 Compares two modular integers, belonging to the same modular integer ring,
3068 for equality.
3069
3070 @item bool zerop (const cl_MI& x)
3071 @cindex @code{zerop ()}
3072 Returns true if @code{x} is @code{0 mod N}.
3073 @end table
3074
3075 The following output functions are defined (see also the chapter on
3076 input/output).
3077
3078 @table @code
3079 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
3080 @cindex @code{fprint ()}
3081 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
3082 @cindex @code{operator << ()}
3083 Prints the modular integer @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
3084 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
3085 @end table
3086
3087
3088 @node Symbolic data types
3089 @chapter Symbolic data types
3090 @cindex symbolic type
3091
3092 CLN implements two symbolic (non-numeric) data types: strings and symbols.
3093
3094 @menu
3095 * Strings::                     
3096 * Symbols::                     
3097 @end menu
3098
3099 @node Strings
3100 @section Strings
3101 @cindex string
3102 @cindex @code{cl_string}
3103
3104 The class
3105
3106 @example
3107                       String
3108                      cl_string
3109                    <cln/string.h>
3110 @end example
3111
3112 implements immutable strings.
3113
3114 Strings are constructed through the following constructors:
3115
3116 @table @code
3117 @item cl_string (const char * s)
3118 Returns an immutable copy of the (zero-terminated) C string @code{s}.
3119
3120 @item cl_string (const char * ptr, unsigned long len)
3121 Returns an immutable copy of the @code{len} characters at
3122 @code{ptr[0]}, @dots{}, @code{ptr[len-1]}. NUL characters are allowed.
3123 @end table
3124
3125 The following functions are available on strings:
3126
3127 @table @code
3128 @item operator =
3129 Assignment from @code{cl_string} and @code{const char *}.
3130
3131 @item s.size()
3132 @cindex @code{size()}
3133 @itemx strlen(s)
3134 @cindex @code{strlen ()}
3135 Returns the length of the string @code{s}.
3136
3137 @item s[i]
3138 @cindex @code{operator [] ()}
3139 Returns the @code{i}th character of the string @code{s}.
3140 @code{i} must be in the range @code{0 <= i < s.size()}.
3141
3142 @item bool equal (const cl_string& s1, const cl_string& s2)
3143 @cindex @code{equal ()}
3144 Compares two strings for equality. One of the arguments may also be a
3145 plain @code{const char *}.
3146 @end table
3147
3148 @node Symbols
3149 @section Symbols
3150 @cindex symbol
3151 @cindex @code{cl_symbol}
3152
3153 Symbols are uniquified strings: all symbols with the same name are shared.
3154 This means that comparison of two symbols is fast (effectively just a pointer
3155 comparison), whereas comparison of two strings must in the worst case walk
3156 both strings until their end.
3157 Symbols are used, for example, as tags for properties, as names of variables
3158 in polynomial rings, etc.
3159
3160 Symbols are constructed through the following constructor:
3161
3162 @table @code
3163 @item cl_symbol (const cl_string& s)
3164 Looks up or creates a new symbol with a given name.
3165 @end table
3166
3167 The following operations are available on symbols:
3168
3169 @table @code
3170 @item cl_string (const cl_symbol& sym)
3171 Conversion to @code{cl_string}: Returns the string which names the symbol
3172 @code{sym}.
3173
3174 @item bool equal (const cl_symbol& sym1, const cl_symbol& sym2)
3175 @cindex @code{equal ()}
3176 Compares two symbols for equality. This is very fast.
3177 @end table
3178
3179
3180 @node Univariate polynomials
3181 @chapter Univariate polynomials
3182 @cindex polynomial
3183 @cindex univariate polynomial
3184
3185 @menu
3186 * Univariate polynomial rings::  
3187 * Functions on univariate polynomials::  
3188 * Special polynomials::         
3189 @end menu
3190
3191 @node Univariate polynomial rings
3192 @section Univariate polynomial rings
3193
3194 CLN implements univariate polynomials (polynomials in one variable) over an
3195 arbitrary ring. The indeterminate variable may be either unnamed (and will be
3196 printed according to @code{default_print_flags.univpoly_varname}, which
3197 defaults to @samp{x}) or carry a given name. The base ring and the
3198 indeterminate are explicitly part of every polynomial. CLN doesn't allow you to
3199 (accidentally) mix elements of different polynomial rings, e.g.
3200 @code{(a^2+1) * (b^3-1)} will result in a runtime error. (Ideally this should
3201 return a multivariate polynomial, but they are not yet implemented in CLN.)
3202
3203 The classes of univariate polynomial rings are
3204
3205 @example
3206                            Ring
3207                          cl_ring
3208                        <cln/ring.h>
3209                             |
3210                             |
3211                  Univariate polynomial ring
3212                       cl_univpoly_ring
3213                       <cln/univpoly.h>
3214                             |
3215            +----------------+-------------------+
3216            |                |                   |
3217  Complex polynomial ring    |    Modular integer polynomial ring
3218  cl_univpoly_complex_ring   |        cl_univpoly_modint_ring
3219  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3220                             |
3221            +----------------+
3222            |                |
3223    Real polynomial ring     |
3224    cl_univpoly_real_ring    |
3225    <cln/univpoly_real.h>    |
3226                             |
3227            +----------------+
3228            |                |
3229  Rational polynomial ring   |
3230  cl_univpoly_rational_ring  |
3231  <cln/univpoly_rational.h>  |
3232                             |
3233            +----------------+
3234            |
3235  Integer polynomial ring
3236  cl_univpoly_integer_ring
3237  <cln/univpoly_integer.h>
3238 @end example
3239
3240 and the corresponding classes of univariate polynomials are
3241
3242 @example
3243                    Univariate polynomial
3244                           cl_UP
3245                       <cln/univpoly.h>
3246                             |
3247            +----------------+-------------------+
3248            |                |                   |
3249    Complex polynomial       |      Modular integer polynomial
3250         cl_UP_N             |                cl_UP_MI
3251  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3252                             |
3253            +----------------+
3254            |                |
3255      Real polynomial        |
3256         cl_UP_R             |
3257   <cln/univpoly_real.h>     |
3258                             |
3259            +----------------+
3260            |                |
3261    Rational polynomial      |
3262         cl_UP_RA            |
3263  <cln/univpoly_rational.h>  |
3264                             |
3265            +----------------+
3266            |
3267    Integer polynomial
3268         cl_UP_I
3269  <cln/univpoly_integer.h>
3270 @end example
3271
3272 Univariate polynomial rings are constructed using the functions
3273
3274 @table @code
3275 @item cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R)
3276 @itemx cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R, const cl_symbol& varname)
3277 This function returns the polynomial ring @samp{R[X]}, unnamed or named.
3278 @code{R} may be an arbitrary ring. This function takes care of finding out
3279 about special cases of @code{R}, such as the rings of complex numbers,
3280 real numbers, rational numbers, integers, or modular integer rings.
3281 There is a cache table of rings, indexed by @code{R} and @code{varname}.
3282 This ensures that two calls of this function with the same arguments will
3283 return the same polynomial ring.
3284
3285 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R)
3286 @cindex @code{find_univpoly_ring ()}
3287 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R, const cl_symbol& varname)
3288 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R)
3289 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R, const cl_symbol& varname)
3290 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R)
3291 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R, const cl_symbol& varname)
3292 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R)
3293 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R, const cl_symbol& varname)
3294 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R)
3295 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R, const cl_symbol& varname)
3296 These functions are equivalent to the general @code{find_univpoly_ring},
3297 only the return type is more specific, according to the base ring's type.
3298 @end table
3299
3300 @node Functions on univariate polynomials
3301 @section Functions on univariate polynomials
3302
3303 Given a univariate polynomial ring @code{R}, the following members can be used.
3304
3305 @table @code
3306 @item cl_ring R->basering()
3307 @cindex @code{basering ()}
3308 This returns the base ring, as passed to @samp{find_univpoly_ring}.
3309
3310 @item cl_UP R->zero()
3311 @cindex @code{zero ()}
3312 This returns @code{0 in R}, a polynomial of degree -1.
3313
3314 @item cl_UP R->one()
3315 @cindex @code{one ()}
3316 This returns @code{1 in R}, a polynomial of degree == 0.
3317
3318 @item cl_UP R->canonhom (const cl_I& x)
3319 @cindex @code{canonhom ()}
3320 This returns @code{x in R}, a polynomial of degree <= 0.
3321
3322 @item cl_UP R->monomial (const cl_ring_element& x, uintL e)
3323 @cindex @code{monomial ()}
3324 This returns a sparse polynomial: @code{x * X^e}, where @code{X} is the
3325 indeterminate.
3326
3327 @item cl_UP R->create (sintL degree)
3328 @cindex @code{create ()}
3329 Creates a new polynomial with a given degree. The zero polynomial has degree
3330 @code{-1}. After creating the polynomial, you should put in the coefficients,
3331 using the @code{set_coeff} member function, and then call the @code{finalize}
3332 member function.
3333 @end table
3334
3335 The following are the only destructive operations on univariate polynomials.
3336
3337 @table @code
3338 @item void set_coeff (cl_UP& x, uintL index, const cl_ring_element& y)
3339 @cindex @code{set_coeff ()}
3340 This changes the coefficient of @code{X^index} in @code{x} to be @code{y}.
3341 After changing a polynomial and before applying any "normal" operation on it,
3342 you should call its @code{finalize} member function.
3343
3344 @item void finalize (cl_UP& x)
3345 @cindex @code{finalize ()}
3346 This function marks the endpoint of destructive modifications of a polynomial.
3347 It normalizes the internal representation so that subsequent computations have
3348 less overhead. Doing normal computations on unnormalized polynomials may
3349 produce wrong results or crash the program.
3350 @end table
3351
3352 The following operations are defined on univariate polynomials.
3353
3354 @table @code
3355 @item cl_univpoly_ring x.ring ()
3356 @cindex @code{ring ()}
3357 Returns the ring to which the univariate polynomial @code{x} belongs.
3358
3359 @item cl_UP operator+ (const cl_UP&, const cl_UP&)
3360 @cindex @code{operator + ()}
3361 Returns the sum of two univariate polynomials.
3362
3363 @item cl_UP operator- (const cl_UP&, const cl_UP&)
3364 @cindex @code{operator - ()}
3365 Returns the difference of two univariate polynomials.
3366
3367 @item cl_UP operator- (const cl_UP&)
3368 Returns the negative of a univariate polynomial.
3369
3370 @item cl_UP operator* (const cl_UP&, const cl_UP&)
3371 @cindex @code{operator * ()}
3372 Returns the product of two univariate polynomials. One of the arguments may
3373 also be a plain integer or an element of the base ring.
3374
3375 @item cl_UP square (const cl_UP&)
3376 @cindex @code{square ()}
3377 Returns the square of a univariate polynomial.
3378
3379 @item cl_UP expt_pos (const cl_UP& x, const cl_I& y)
3380 @cindex @code{expt_pos ()}
3381 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3382
3383 @item bool operator== (const cl_UP&, const cl_UP&)
3384 @cindex @code{operator == ()}
3385 @itemx bool operator!= (const cl_UP&, const cl_UP&)
3386 @cindex @code{operator != ()}
3387 Compares two univariate polynomials, belonging to the same univariate
3388 polynomial ring, for equality.
3389
3390 @item bool zerop (const cl_UP& x)
3391 @cindex @code{zerop ()}
3392 Returns true if @code{x} is @code{0 in R}.
3393
3394 @item sintL degree (const cl_UP& x)
3395 @cindex @code{degree ()}
3396 Returns the degree of the polynomial. The zero polynomial has degree @code{-1}.
3397
3398 @item sintL ldegree (const cl_UP& x)
3399 @cindex @code{degree ()}
3400 Returns the low degree of the polynomial. This is the degree of the first
3401 non-vanishing polynomial coefficient. The zero polynomial has ldegree @code{-1}.
3402
3403 @item cl_ring_element coeff (const cl_UP& x, uintL index)
3404 @cindex @code{coeff ()}
3405 Returns the coefficient of @code{X^index} in the polynomial @code{x}.
3406
3407 @item cl_ring_element x (const cl_ring_element& y)
3408 @cindex @code{operator () ()}
3409 Evaluation: If @code{x} is a polynomial and @code{y} belongs to the base ring,
3410 then @samp{x(y)} returns the value of the substitution of @code{y} into
3411 @code{x}.
3412
3413 @item cl_UP deriv (const cl_UP& x)
3414 @cindex @code{deriv ()}
3415 Returns the derivative of the polynomial @code{x} with respect to the
3416 indeterminate @code{X}.
3417 @end table
3418
3419 The following output functions are defined (see also the chapter on
3420 input/output).
3421
3422 @table @code
3423 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3424 @cindex @code{fprint ()}
3425 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3426 @cindex @code{operator << ()}
3427 Prints the univariate polynomial @code{x} on the @code{stream}. The output may
3428 depend on the global printer settings in the variable
3429 @code{default_print_flags}.
3430 @end table
3431
3432 @node Special polynomials
3433 @section Special polynomials
3434
3435 The following functions return special polynomials.
3436
3437 @table @code
3438 @item cl_UP_I tschebychev (sintL n)
3439 @cindex @code{tschebychev ()}
3440 @cindex Chebyshev polynomial
3441 Returns the n-th Chebyshev polynomial (n >= 0).
3442
3443 @item cl_UP_I hermite (sintL n)
3444 @cindex @code{hermite ()}
3445 @cindex Hermite polynomial
3446 Returns the n-th Hermite polynomial (n >= 0).
3447
3448 @item cl_UP_RA legendre (sintL n)
3449 @cindex @code{legendre ()}
3450 @cindex Legende polynomial
3451 Returns the n-th Legendre polynomial (n >= 0).
3452
3453 @item cl_UP_I laguerre (sintL n)
3454 @cindex @code{laguerre ()}
3455 @cindex Laguerre polynomial
3456 Returns the n-th Laguerre polynomial (n >= 0).
3457 @end table
3458
3459 Information how to derive the differential equation satisfied by each
3460 of these polynomials from their definition can be found in the
3461 @code{doc/polynomial/} directory.
3462
3463
3464 @node Internals
3465 @chapter Internals
3466
3467 @menu
3468 * Why C++ ?::                   
3469 * Memory efficiency::           
3470 * Speed efficiency::            
3471 * Garbage collection::          
3472 @end menu
3473
3474 @node Why C++ ?
3475 @section Why C++ ?
3476 @cindex advocacy
3477
3478 Using C++ as an implementation language provides
3479
3480 @itemize @bullet
3481 @item
3482 Efficiency: It compiles to machine code.
3483
3484 @item
3485 @cindex portability
3486 Portability: It runs on all platforms supporting a C++ compiler. Because
3487 of the availability of GNU C++, this includes all currently used 32-bit and
3488 64-bit platforms, independently of the quality of the vendor's C++ compiler.
3489
3490 @item
3491 Type safety: The C++ compilers knows about the number types and complains if,
3492 for example, you try to assign a float to an integer variable. However,
3493 a drawback is that C++ doesn't know about generic types, hence a restriction
3494 like that @code{operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)} requires that both
3495 arguments belong to the same modular ring cannot be expressed as a compile-time
3496 information.
3497
3498 @item
3499 Algebraic syntax: The elementary operations @code{+}, @code{-}, @code{*},
3500 @code{=}, @code{==}, ... can be used in infix notation, which is more
3501 convenient than Lisp notation @samp{(+ x y)} or C notation @samp{add(x,y,&z)}.
3502 @end itemize
3503
3504 With these language features, there is no need for two separate languages,
3505 one for the implementation of the library and one in which the library's users
3506 can program. This means that a prototype implementation of an algorithm
3507 can be integrated into the library immediately after it has been tested and
3508 debugged. No need to rewrite it in a low-level language after having prototyped
3509 in a high-level language.
3510
3511
3512 @node Memory efficiency
3513 @section Memory efficiency
3514
3515 In order to save memory allocations, CLN implements:
3516
3517 @itemize @bullet
3518 @item
3519 Object sharing: An operation like @code{x+0} returns @code{x} without copying
3520 it.
3521 @item
3522 @cindex garbage collection
3523 @cindex reference counting
3524 Garbage collection: A reference counting mechanism makes sure that any
3525 number object's storage is freed immediately when the last reference to the
3526 object is gone.
3527 @item
3528 @cindex immediate numbers
3529 Small integers are represented as immediate values instead of pointers
3530 to heap allocated storage. This means that integers @code{>= -2^29},
3531 @code{< 2^29} don't consume heap memory, unless they were explicitly allocated
3532 on the heap.
3533 @end itemize
3534
3535
3536 @node Speed efficiency
3537 @section Speed efficiency
3538
3539 Speed efficiency is obtained by the combination of the following tricks
3540 and algorithms:
3541
3542 @itemize @bullet
3543 @item
3544 Small integers, being represented as immediate values, don't require
3545 memory access, just a couple of instructions for each elementary operation.
3546 @item
3547 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
3548 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
3549 @item
3550 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
3551 routines from GNU GMP version 3.
3552 @item
3553 For large numbers, CLN uses, instead of the standard @code{O(N^2)}
3554 algorithm, the Karatsuba multiplication, which is an
3555 @iftex
3556 @tex
3557 $O(N^{1.6})$
3558 @end tex
3559 @end iftex
3560 @ifinfo
3561 @code{O(N^1.6)}
3562 @end ifinfo
3563 algorithm.
3564 @item
3565 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), CLN uses
3566 @iftex
3567 Sch{@"o}nhage-Strassen
3568 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
3569 @end iftex
3570 @ifinfo
3571 Schoenhage-Strassen
3572 @cindex Schoenhage-Strassen multiplication
3573 @end ifinfo
3574 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication 
3575 algorithm.
3576 @item
3577 These fast multiplication algorithms also give improvements in the speed
3578 of division and radix conversion.
3579 @end itemize
3580
3581
3582 @node Garbage collection
3583 @section Garbage collection
3584 @cindex garbage collection
3585
3586 All the number classes are reference count classes: They only contain a pointer
3587 to an object in the heap. Upon construction, assignment and destruction of
3588 number objects, only the objects' reference count are manipulated.
3589
3590 Memory occupied by number objects are automatically reclaimed as soon as
3591 their reference count drops to zero.
3592
3593 For number rings, another strategy is implemented: There is a cache of,
3594 for example, the modular integer rings. A modular integer ring is destroyed
3595 only if its reference count dropped to zero and the cache is about to be
3596 resized. The effect of this strategy is that recently used rings remain
3597 cached, whereas undue memory consumption through cached rings is avoided.
3598
3599
3600 @node Using the library
3601 @chapter Using the library
3602
3603 For the following discussion, we will assume that you have installed
3604 the CLN source in @code{$CLN_DIR} and built it in @code{$CLN_TARGETDIR}.
3605 For example, for me it's @code{CLN_DIR="$HOME/cln"} and
3606 @code{CLN_TARGETDIR="$HOME/cln/linuxelf"}. You might define these as
3607 environment variables, or directly substitute the appropriate values.
3608
3609
3610 @menu
3611 * Compiler options::            
3612 * Include files::               
3613 * An Example::                  
3614 * Debugging support::           
3615 * Reporting Problems::          
3616 @end menu
3617
3618 @node Compiler options
3619 @section Compiler options
3620 @cindex compiler options
3621
3622 Until you have installed CLN in a public place, the following options are
3623 needed:
3624
3625 When you compile CLN application code, add the flags
3626 @example
3627    -I$CLN_DIR/include -I$CLN_TARGETDIR/include
3628 @end example
3629 to the C++ compiler's command line (@code{make} variable CFLAGS or CXXFLAGS).
3630 When you link CLN application code to form an executable, add the flags
3631 @example
3632    $CLN_TARGETDIR/src/libcln.a
3633 @end example
3634 to the C/C++ compiler's command line (@code{make} variable LIBS).
3635
3636 If you did a @code{make install}, the include files are installed in a
3637 public directory (normally @code{/usr/local/include}), hence you don't
3638 need special flags for compiling. The library has been installed to a
3639 public directory as well (normally @code{/usr/local/lib}), hence when
3640 linking a CLN application it is sufficient to give the flag @code{-lcln}.
3641
3642 @cindex @code{pkg-config}
3643 To make the creation of software packages that use CLN easier, the
3644 @code{pkg-config} utility can be used.  CLN provides all the necessary
3645 metainformation in a file called @code{cln.pc} (installed in
3646 @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default).  A program using CLN can
3647 be compiled and linked using @footnote{If you installed CLN to
3648 non-standard location @var{prefix}, you need to set the
3649 @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig
3650 for this to work.}
3651 @example 
3652 g++ `pkg-config --libs cln` `pkg-config --cflags cln` prog.cc -o prog
3653 @end example
3654
3655 Software using GNU autoconf can check for CLN with the 
3656 @code{PKG_CHECK_MODULES} macro supplied with @code{pkg-config}.
3657 @example
3658 PKG_CHECK_MODULES([CLN], [cln >= @var{MIN-VERSION}])
3659 @end example
3660 This will check for CLN version at least @var{MIN-VERSION}.  If the
3661 required version was found, the variables @var{CLN_CFLAGS} and
3662 @var{CLN_LIBS} are set.  Otherwise the configure script aborts.  If this
3663 is not the desired behaviour, use the following code instead
3664 @footnote{See the @code{pkg-config} documentation for more details.}
3665 @example
3666 PKG_CHECK_MODULES([CLN], [cln >= @var{MIN-VERSION}], [],
3667  [AC_MSG_WARNING([No suitable version of CLN can be found])])
3668 @end example
3669
3670
3671 @node Include files
3672 @section Include files
3673 @cindex include files
3674 @cindex header files
3675
3676 Here is a summary of the include files and their contents.
3677
3678 @table @code
3679 @item <cln/object.h>
3680 General definitions, reference counting, garbage collection.
3681 @item <cln/number.h>
3682 The class cl_number.
3683 @item <cln/complex.h>
3684 Functions for class cl_N, the complex numbers.
3685 @item <cln/real.h>
3686 Functions for class cl_R, the real numbers.
3687 @item <cln/float.h>
3688 Functions for class cl_F, the floats.
3689 @item <cln/sfloat.h>
3690 Functions for class cl_SF, the short-floats.
3691 @item <cln/ffloat.h>
3692 Functions for class cl_FF, the single-floats.
3693 @item <cln/dfloat.h>
3694 Functions for class cl_DF, the double-floats.
3695 @item <cln/lfloat.h>
3696 Functions for class cl_LF, the long-floats.
3697 @item <cln/rational.h>
3698 Functions for class cl_RA, the rational numbers.
3699 @item <cln/integer.h>
3700 Functions for class cl_I, the integers.
3701 @item <cln/io.h>
3702 Input/Output.
3703 @item <cln/complex_io.h>
3704 Input/Output for class cl_N, the complex numbers.
3705 @item <cln/real_io.h>
3706 Input/Output for class cl_R, the real numbers.
3707 @item <cln/float_io.h>
3708 Input/Output for class cl_F, the floats.
3709 @item <cln/sfloat_io.h>
3710 Input/Output for class cl_SF, the short-floats.
3711 @item <cln/ffloat_io.h>
3712 Input/Output for class cl_FF, the single-floats.
3713 @item <cln/dfloat_io.h>
3714 Input/Output for class cl_DF, the double-floats.
3715 @item <cln/lfloat_io.h>
3716 Input/Output for class cl_LF, the long-floats.
3717 @item <cln/rational_io.h>
3718 Input/Output for class cl_RA, the rational numbers.
3719 @item <cln/integer_io.h>
3720 Input/Output for class cl_I, the integers.
3721 @item <cln/input.h>
3722 Flags for customizing input operations.
3723 @item <cln/output.h>
3724 Flags for customizing output operations.
3725 @item <cln/malloc.h>
3726 @code{malloc_hook}, @code{free_hook}.
3727 @item <cln/exception.h>
3728 Exception base class.
3729 @item <cln/condition.h>
3730 Conditions.
3731 @item <cln/string.h>
3732 Strings.
3733 @item <cln/symbol.h>
3734 Symbols.
3735 @item <cln/proplist.h>
3736 Property lists.
3737 @item <cln/ring.h>
3738 General rings.
3739 @item <cln/null_ring.h>
3740 The null ring.
3741 @item <cln/complex_ring.h>
3742 The ring of complex numbers.
3743 @item <cln/real_ring.h>
3744 The ring of real numbers.
3745 @item <cln/rational_ring.h>
3746 The ring of rational numbers.
3747 @item <cln/integer_ring.h>
3748 The ring of integers.
3749 @item <cln/numtheory.h>
3750 Number threory functions.
3751 @item <cln/modinteger.h>
3752 Modular integers.
3753 @item <cln/V.h>
3754 Vectors.
3755 @item <cln/GV.h>
3756 General vectors.
3757 @item <cln/GV_number.h>
3758 General vectors over cl_number.
3759 @item <cln/GV_complex.h>
3760 General vectors over cl_N.
3761 @item <cln/GV_real.h>
3762 General vectors over cl_R.
3763 @item <cln/GV_rational.h>
3764 General vectors over cl_RA.
3765 @item <cln/GV_integer.h>
3766 General vectors over cl_I.
3767 @item <cln/GV_modinteger.h>
3768 General vectors of modular integers.
3769 @item <cln/SV.h>
3770 Simple vectors.
3771 @item <cln/SV_number.h>
3772 Simple vectors over cl_number.
3773 @item <cln/SV_complex.h>
3774 Simple vectors over cl_N.
3775 @item <cln/SV_real.h>
3776 Simple vectors over cl_R.
3777 @item <cln/SV_rational.h>
3778 Simple vectors over cl_RA.
3779 @item <cln/SV_integer.h>
3780 Simple vectors over cl_I.
3781 @item <cln/SV_ringelt.h>
3782 Simple vectors of general ring elements.
3783 @item <cln/univpoly.h>
3784 Univariate polynomials.
3785 @item <cln/univpoly_integer.h>
3786 Univariate polynomials over the integers.
3787 @item <cln/univpoly_rational.h>
3788 Univariate polynomials over the rational numbers.
3789 @item <cln/univpoly_real.h>
3790 Univariate polynomials over the real numbers.
3791 @item <cln/univpoly_complex.h>
3792 Univariate polynomials over the complex numbers.
3793 @item <cln/univpoly_modint.h>
3794 Univariate polynomials over modular integer rings.
3795 @item <cln/timing.h>
3796 Timing facilities.
3797 @item <cln/cln.h>
3798 Includes all of the above.
3799 @end table
3800
3801
3802 @node An Example
3803 @section An Example
3804
3805 A function which computes the nth Fibonacci number can be written as follows.
3806 @cindex Fibonacci number
3807
3808 @example
3809 #include <cln/integer.h>
3810 #include <cln/real.h>
3811 using namespace cln;
3812
3813 // Returns F_n, computed as the nearest integer to
3814 // ((1+sqrt(5))/2)^n/sqrt(5). Assume n>=0.
3815 const cl_I fibonacci (int n)
3816 @{
3817         // Need a precision of ((1+sqrt(5))/2)^-n.
3818         float_format_t prec = float_format((int)(0.208987641*n+5));
3819         cl_R sqrt5 = sqrt(cl_float(5,prec));
3820         cl_R phi = (1+sqrt5)/2;
3821         return round1( expt(phi,n)/sqrt5 );
3822 @}
3823 @end example
3824
3825 Let's explain what is going on in detail.
3826
3827 The include file @code{<cln/integer.h>} is necessary because the type
3828 @code{cl_I} is used in the function, and the include file @code{<cln/real.h>}
3829 is needed for the type @code{cl_R} and the floating point number functions.
3830 The order of the include files does not matter.  In order not to write
3831 out @code{cln::}@var{foo} in this simple example we can safely import
3832 the whole namespace @code{cln}.
3833
3834 Then comes the function declaration. The argument is an @code{int}, the
3835 result an integer. The return type is defined as @samp{const cl_I}, not
3836 simply @samp{cl_I}, because that allows the compiler to detect typos like
3837 @samp{fibonacci(n) = 100}. It would be possible to declare the return
3838 type as @code{const cl_R} (real number) or even @code{const cl_N} (complex
3839 number). We use the most specialized possible return type because functions
3840 which call @samp{fibonacci} will be able to profit from the compiler's type
3841 analysis: Adding two integers is slightly more efficient than adding the
3842 same objects declared as complex numbers, because it needs less type
3843 dispatch. Also, when linking to CLN as a non-shared library, this minimizes
3844 the size of the resulting executable program.
3845
3846 The result will be computed as expt(phi,n)/sqrt(5), rounded to the nearest
3847 integer. In order to get a correct result, the absolute error should be less
3848 than 1/2, i.e. the relative error should be less than sqrt(5)/(2*expt(phi,n)).
3849 To this end, the first line computes a floating point precision for sqrt(5)
3850 and phi.
3851
3852 Then sqrt(5) is computed by first converting the integer 5 to a floating point
3853 number and than taking the square root. The converse, first taking the square
3854 root of 5, and then converting to the desired precision, would not work in
3855 CLN: The square root would be computed to a default precision (normally
3856 single-float precision), and the following conversion could not help about
3857 the lacking accuracy. This is because CLN is not a symbolic computer algebra
3858 system and does not represent sqrt(5) in a non-numeric way.
3859
3860 The type @code{cl_R} for sqrt5 and, in the following line, phi is the only
3861 possible choice. You cannot write @code{cl_F} because the C++ compiler can
3862 only infer that @code{cl_float(5,prec)} is a real number. You cannot write
3863 @code{cl_N} because a @samp{round1} does not exist for general complex
3864 numbers.
3865
3866 When the function returns, all the local variables in the function are
3867 automatically reclaimed (garbage collected). Only the result survives and
3868 gets passed to the caller.
3869
3870 The file @code{fibonacci.cc} in the subdirectory @code{examples}
3871 contains this implementation together with an even faster algorithm.
3872
3873 @node Debugging support
3874 @section Debugging support
3875 @cindex debugging
3876
3877 When debugging a CLN application with GNU @code{gdb}, two facilities are
3878 available from the library:
3879
3880 @itemize @bullet
3881 @item The library does type checks, range checks, consistency checks at
3882 many places. When one of these fails, an exception of a type derived from
3883 @code{runtime_exception} is thrown. When an exception is cought, the stack
3884 has already been unwound, so it is may not be possible to tell at which
3885 point the exception was thrown. For debugging, it is best to set up a
3886 catchpoint at the event of throwning a C++ exception:
3887 @example
3888 (gdb) catch throw
3889 @end example
3890 When this catchpoint is hit, look at the stack's backtrace:
3891 @example
3892 (gdb) where
3893 @end example
3894 When control over the type of exception is required, it may be possible
3895 to set a breakpoint at the @code{g++} runtime library function
3896 @code{__raise_exception}. Refer to the documentation of GNU @code{gdb}
3897 for details.
3898
3899 @item The debugger's normal @code{print} command doesn't know about
3900 CLN's types and therefore prints mostly useless hexadecimal addresses.
3901 CLN offers a function @code{cl_print}, callable from the debugger,
3902 for printing number objects. In order to get this function, you have
3903 to define the macro @samp{CL_DEBUG} and then include all the header files
3904 for which you want @code{cl_print} debugging support. For example:
3905 @cindex @code{CL_DEBUG}
3906 @example
3907 #define CL_DEBUG
3908 #include <cln/string.h>
3909 @end example
3910 Now, if you have in your program a variable @code{cl_string s}, and
3911 inspect it under @code{gdb}, the output may look like this:
3912 @example
3913 (gdb) print s
3914 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3915   word = 134568800@}@}, @}
3916 (gdb) call cl_print(s)
3917 (cl_string) ""
3918 $8 = 134568800
3919 @end example
3920 Note that the output of @code{cl_print} goes to the program's error output,
3921 not to gdb's standard output.
3922
3923 Note, however, that the above facility does not work with all CLN types,
3924 only with number objects and similar. Therefore CLN offers a member function
3925 @code{debug_print()} on all CLN types. The same macro @samp{CL_DEBUG}
3926 is needed for this member function to be implemented. Under @code{gdb},
3927 you call it like this:
3928 @cindex @code{debug_print ()}
3929 @example
3930 (gdb) print s
3931 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3932   word = 134568800@}@}, @}
3933 (gdb) call s.debug_print()
3934 (cl_string) ""
3935 (gdb) define cprint
3936 >call ($1).debug_print()
3937 >end
3938 (gdb) cprint s
3939 (cl_string) ""
3940 @end example
3941 Unfortunately, this feature does not seem to work under all circumstances.
3942 @end itemize
3943
3944 @node Reporting Problems
3945 @section Reporting Problems
3946 @cindex bugreports
3947 @cindex mailing list
3948
3949 If you encounter any problem, please don't hesitate to send a detailed
3950 bugreport to the @code{cln-list@@ginac.de} mailing list. Please think
3951 about your bug: consider including a short description of your operating
3952 system and compilation environment with corresponding version numbers. A
3953 description of your configuration options may also be helpful. Also, a
3954 short test program together with the output you get and the output you
3955 expect will help us to reproduce it quickly. Finally, do not forget to
3956 report the version number of CLN.
3957
3958
3959 @node Customizing
3960 @chapter Customizing
3961 @cindex customizing
3962
3963 @menu
3964 * Error handling::              
3965 * Floating-point underflow::    
3966 * Customizing I/O::             
3967 * Customizing the memory allocator::  
3968 @end menu
3969
3970 @node Error handling
3971 @section Error handling
3972 @cindex exception
3973 @cindex error handling
3974
3975 @cindex @code{runtime_exception}
3976 CLN signals abnormal situations by throwning exceptions. All exceptions
3977 thrown by the library are of type @code{runtime_exception} or of a
3978 derived type. Class @code{cln::runtime_exception} in turn is derived
3979 from the C++ standard library class @code{std::runtime_error} and
3980 inherits the @code{.what()} member function that can be used to query
3981 details about the cause of error.
3982
3983 The most important classes thrown by the library are
3984
3985 @cindex @code{floating_point_exception}
3986 @cindex @code{read_number_exception}
3987 @example
3988                   Exception base class
3989                     runtime_exception
3990                     <cln/exception.h>
3991                             | 
3992            +----------------+----------------+
3993            |                                 |
3994  Malformed number input             Floating-point error
3995  read_number_exception            floating_poing_exception
3996    <cln/number_io.h>                   <cln/float.h>
3997 @end example
3998
3999 CLN has many more exception classes that allow for more fine-grained
4000 control but I refrain from documenting them all here. They are all
4001 declared in the public header files and they are all subclasses of the
4002 above exceptions, so catching those you are always on the safe side.
4003
4004
4005 @node Floating-point underflow
4006 @section Floating-point underflow
4007 @cindex underflow
4008
4009 @cindex @code{floating_point_underflow_exception}
4010 Floating point underflow denotes the situation when a floating-point
4011 number is to be created which is so close to @code{0} that its exponent
4012 is too low to be represented internally. By default, this causes the
4013 exception @code{floating_point_underflow_exception} (subclass of
4014 @code{floating_point_exception}) to be thrown. If you set the global
4015 variable
4016 @example
4017 bool cl_inhibit_floating_point_underflow
4018 @end example
4019 to @code{true}, the exception will be inhibited, and a floating-point
4020 zero will be generated instead.  The default value of 
4021 @code{cl_inhibit_floating_point_underflow} is @code{false}.
4022
4023
4024 @node Customizing I/O
4025 @section Customizing I/O
4026
4027 The output of the function @code{fprint} may be customized by changing the
4028 value of the global variable @code{default_print_flags}.
4029 @cindex @code{default_print_flags}
4030
4031
4032 @node Customizing the memory allocator
4033 @section Customizing the memory allocator
4034
4035 Every memory allocation of CLN is done through the function pointer
4036 @code{malloc_hook}. Freeing of this memory is done through the function
4037 pointer @code{free_hook}. The default versions of these functions,
4038 provided in the library, call @code{malloc} and @code{free} and check
4039 the @code{malloc} result against @code{NULL}.
4040 If you want to provide another memory allocator, you need to define
4041 the variables @code{malloc_hook} and @code{free_hook} yourself,
4042 like this:
4043 @example
4044 #include <cln/malloc.h>
4045 namespace cln @{
4046         void* (*malloc_hook) (size_t size) = @dots{};
4047         void (*free_hook) (void* ptr)      = @dots{};
4048 @}
4049 @end example
4050 @cindex @code{malloc_hook ()}
4051 @cindex @code{free_hook ()}
4052 The @code{cl_malloc_hook} function must not return a @code{NULL} pointer.
4053
4054 It is not possible to change the memory allocator at runtime, because
4055 it is already called at program startup by the constructors of some
4056 global variables.
4057
4058
4059
4060
4061 @c Indices
4062
4063 @node Index,  , Customizing, Top
4064 @unnumbered Index
4065
4066 @printindex my
4067
4068
4069 @bye