]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
synced to 1.0
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2002 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * Symbols::                      Symbolic objects.
678 * Numbers::                      Numerical objects.
679 * Constants::                    Pre-defined constants.
680 * Fundamental containers::       The power, add and mul classes.
681 * Lists::                        Lists of expressions.
682 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
683 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
684 * Matrices::                     Matrices.
685 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
686 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
687 @end menu
688
689
690 @node Expressions, The Class Hierarchy, Basic Concepts, Basic Concepts
691 @c    node-name, next, previous, up
692 @section Expressions
693 @cindex expression (class @code{ex})
694 @cindex @code{has()}
695
696 The most common class of objects a user deals with is the expression
697 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
698 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
699 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
700 little collection of valid expressions:
701
702 @example
703 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
704 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
705 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
706 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
707 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
708 @end example
709
710 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
711 contain other expressions thus creating a tree of expressions
712 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
713 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
714 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
715 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
716 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
717 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
718
719 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
720 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
721 @code{ex}.
722
723
724 @node The Class Hierarchy, Error handling, Expressions, Basic Concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section The Class Hierarchy
727
728 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
729 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
730 helpers) are internally derived from one abstract base class called
731 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
732 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
733 containers of expressions and so on.
734
735 @cindex container
736 @cindex atom
737 To get an idea about what kinds of symbolic composits may be built we
738 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
739 some of the relations among the classes:
740
741 @image{classhierarchy}
742
743 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
744 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
745 duplication if two or more classes derived from them share certain
746 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
747 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
748 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
749 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
750 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
751 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
752 are stored in the different classes:
753
754 @cartouche
755 @multitable @columnfractions .22 .78
756 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
757 @item @code{constant} @tab Constants like 
758 @tex
759 $\pi$
760 @end tex
761 @ifnottex
762 @math{Pi}
763 @end ifnottex
764 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
765 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
766 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
767 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
768 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
769 @tex
770 $\sqrt{2}$
771 @end tex
772 @ifnottex
773 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
774 @end ifnottex
775 @dots{}
776 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
777 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
778 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
779 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
780 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
781 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
782 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
783 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
784 @item @code{varidx} @tab Index with variance
785 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
786 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
787 @end multitable
788 @end cartouche
789
790
791 @node Error handling, Symbols, The Class Hierarchy, Basic Concepts
792 @c    node-name, next, previous, up
793 @section Error handling
794 @cindex exceptions
795 @cindex @code{pole_error} (class)
796
797 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
798 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
799 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
800 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
801 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
802 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
803 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
804 at a singularity.
805
806 The @code{pole_error} class has a member function
807
808 @example
809 int pole_error::degree(void) const;
810 @end example
811
812 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
813 logarithmic or the order is undefined).
814
815 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
816 the main program even if you don't want to do any special error handling.
817 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
818 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
819 usually only aborts the program without giving any information what went
820 wrong.
821
822 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
823 exceptions generated by GiNaC:
824
825 @example
826 #include <iostream>
827 #include <stdexcept>
828 #include <ginac/ginac.h>
829 using namespace std;
830 using namespace GiNaC;
831
832 int main(void)
833 @{
834     try @{
835         ...
836         // code using GiNaC
837         ...
838     @} catch (exception &p) @{
839         cerr << p.what() << endl;
840         return 1;
841     @}
842     return 0;
843 @}
844 @end example
845
846
847 @node Symbols, Numbers, Error handling, Basic Concepts
848 @c    node-name, next, previous, up
849 @section Symbols
850 @cindex @code{symbol} (class)
851 @cindex hierarchy of classes
852
853 @cindex atom
854 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
855 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
856 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
857 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
858 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
859 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
860 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
861 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
862 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
863 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
864 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
865 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
866 come across examples of such symbols later in this tutorial.
867
868 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
869 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
870 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
871 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
872 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
873 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
874 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
875 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
876 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
877 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
878
879 @cindex @code{subs()}
880 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
881 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
882 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
883 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
884
885
886 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
887 @c    node-name, next, previous, up
888 @section Numbers
889 @cindex @code{numeric} (class)
890
891 @cindex GMP
892 @cindex CLN
893 @cindex rational
894 @cindex fraction
895 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
896 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
897 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
898 In order to find out more about CLN's internals the reader is refered to
899 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
900 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
901 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
902 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
903 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
904 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
905 several useful things: First, it introduces the complex number field
906 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
907 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
908 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
909 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
910 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
911 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
912 calculation of some useful constants.
913
914 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
915 ways.  The following example shows the four most important constructors.
916 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
917 integers, construction from C-float and construction from a string:
918
919 @example
920 #include <iostream>
921 #include <ginac/ginac.h>
922 using namespace GiNaC;
923
924 int main()
925 @{
926     numeric two = 2;                      // exact integer 2
927     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
928     numeric e(2.71828);                   // floating point number
929     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
930     // Trott's constant in scientific notation:
931     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
932     
933     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
934     ...
935 @end example
936
937 @cindex @code{I}
938 @cindex complex numbers
939 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
940 name @code{I}:
941
942 @example
943     ...
944     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
945     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
946 @}
947 @end example
948
949 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
950 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
951 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
952 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
953 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
954 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
955 also.
956
957 @cindex @code{Digits}
958 @cindex accuracy
959 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
960 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
961 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
962 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
963 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
964 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
965 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
966 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
967 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
968 digits:
969
970 @example
971 #include <iostream>
972 #include <ginac/ginac.h>
973 using namespace std;
974 using namespace GiNaC;
975
976 void foo()
977 @{
978     numeric three(3.0), one(1.0);
979     numeric x = one/three;
980
981     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
982     cout << x << endl;
983     cout << Pi.evalf() << endl;
984 @}
985
986 int main()
987 @{
988     foo();
989     Digits = 60;
990     foo();
991     return 0;
992 @}
993 @end example
994
995 The above example prints the following output to screen:
996
997 @example
998 in 17 digits:
999 0.33333333333333333334
1000 3.1415926535897932385
1001 in 60 digits:
1002 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1003 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1004 @end example
1005
1006 @cindex rounding
1007 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1008 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1009 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1010 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1011 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1012 architectures with differnt word size, the above output might even
1013 differ with regard to actually computed digits.
1014
1015 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1016 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1017 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1018
1019 @subsection Tests on numbers
1020
1021 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1022 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1023 kind of information from them like asking whether that number is
1024 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1025 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1026 certain CLN functions.)
1027
1028 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1029 some multiple of its denominator and test what comes out:
1030
1031 @example
1032 #include <iostream>
1033 #include <ginac/ginac.h>
1034 using namespace std;
1035 using namespace GiNaC;
1036
1037 // some very important constants:
1038 const numeric twentyone(21);
1039 const numeric ten(10);
1040 const numeric five(5);
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     numeric answer = twentyone;
1045
1046     answer /= five;
1047     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1048     answer *= ten;
1049     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1050 @}
1051 @end example
1052
1053 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1054 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1055 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1056 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1057 the result is automatically converted to a pure integer again.
1058 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1059 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1060 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1061 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1062 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1063 can be applied is listed in the following table.
1064
1065 @cartouche
1066 @multitable @columnfractions .30 .70
1067 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1068 @item @code{.is_zero()}
1069 @tab @dots{}equal to zero
1070 @item @code{.is_positive()}
1071 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1072 @item @code{.is_integer()}
1073 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1074 @item @code{.is_pos_integer()}
1075 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1076 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1077 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1078 @item @code{.is_even()}
1079 @tab @dots{}an even integer
1080 @item @code{.is_odd()}
1081 @tab @dots{}an odd integer
1082 @item @code{.is_prime()}
1083 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1084 @item @code{.is_rational()}
1085 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1086 @item @code{.is_real()}
1087 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1088 @item @code{.is_cinteger()}
1089 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1090 @item @code{.is_crational()}
1091 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1092 @end multitable
1093 @end cartouche
1094
1095
1096 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1097 @c    node-name, next, previous, up
1098 @section Constants
1099 @cindex @code{constant} (class)
1100
1101 @cindex @code{Pi}
1102 @cindex @code{Catalan}
1103 @cindex @code{Euler}
1104 @cindex @code{evalf()}
1105 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1106 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1107
1108 The predefined known constants are:
1109
1110 @cartouche
1111 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1112 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1113 @item @code{Pi}
1114 @tab Archimedes' constant
1115 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1116 @item @code{Catalan}
1117 @tab Catalan's constant
1118 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1119 @item @code{Euler}
1120 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1121 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1122 @end multitable
1123 @end cartouche
1124
1125
1126 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1127 @c    node-name, next, previous, up
1128 @section Fundamental containers: the @code{power}, @code{add} and @code{mul} classes
1129 @cindex polynomial
1130 @cindex @code{add}
1131 @cindex @code{mul}
1132 @cindex @code{power}
1133
1134 Simple polynomial expressions are written down in GiNaC pretty much like
1135 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1136 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1137 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1138 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1139 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1140 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1141 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1142
1143 @example
1144     ...
1145     symbol a("a"), b("b");
1146     ex MyTerm = 1+a*b;
1147     ...
1148 @end example
1149
1150 @cindex @code{pow()}
1151 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1152 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1153 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1154 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1155 have several counterintuitive and undesired effects:
1156
1157 @itemize @bullet
1158 @item
1159 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1160 @item
1161 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1162 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1163 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1164 @item
1165 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1166 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1167 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1168 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1169 has requested @code{2^3}.)
1170 @end itemize
1171
1172 @cindex @command{ginsh}
1173 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1174 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1175 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1176 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1177 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1178 not exist at all in C++).
1179
1180 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1181 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1182 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1183 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1184 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1185 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1186 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1187 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1188 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1189 @code{x} negative.
1190
1191 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1192 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1193 and safe simplifications are carried out like transforming
1194 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1195
1196 The general rule is that when you construct such objects, GiNaC
1197 automatically creates them in canonical form, which might differ from
1198 the form you typed in your program.  This allows for rapid comparison of
1199 expressions, since after all @code{a-a} is simply zero.  Note, that the
1200 canonical form is not necessarily lexicographical ordering or in any way
1201 easily guessable.  It is only guaranteed that constructing the same
1202 expression twice, either implicitly or explicitly, results in the same
1203 canonical form.
1204
1205
1206 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1207 @c    node-name, next, previous, up
1208 @section Lists of expressions
1209 @cindex @code{lst} (class)
1210 @cindex lists
1211 @cindex @code{nops()}
1212 @cindex @code{op()}
1213 @cindex @code{append()}
1214 @cindex @code{prepend()}
1215 @cindex @code{remove_first()}
1216 @cindex @code{remove_last()}
1217 @cindex @code{remove_all()}
1218
1219 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1220 expressions. These are sometimes used to supply a variable number of
1221 arguments of the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and
1222 @code{to_rational()}, so you should have a basic understanding about them.
1223
1224 Lists of up to 16 expressions can be directly constructed from single
1225 expressions:
1226
1227 @example
1228 @{
1229     symbol x("x"), y("y");
1230     lst l(x, 2, y, x+y);
1231     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1232     // ...
1233 @end example
1234
1235 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1236 a list and the @code{op()} method to access individual elements:
1237
1238 @example
1239     // ...
1240     cout << l.nops() << endl;                   // prints '4'
1241     cout << l.op(2) << " " << l.op(0) << endl;  // prints 'y x'
1242     // ...
1243 @end example
1244
1245 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1246 and @code{prepend()} methods:
1247
1248 @example
1249     // ...
1250     l.append(4*x);   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1251     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 2, y, x+y, 4*x@}
1252     // ...
1253 @end example
1254
1255 You can remove the first or last element of a list with
1256 @code{remove_first()} and @code{remove_last()}:
1257
1258 @example
1259     // ...
1260     l.remove_first();   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1261     l.remove_last();    // l is now @{x, 2, y, x+y@}
1262 @end example
1263
1264 Finally, you can remove all the elements of a list with
1265 @code{remove_all()}:
1266
1267 @example
1268     // ...
1269     l.remove_all();   // l is now empty
1270 @}
1271 @end example
1272
1273
1274 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1275 @c    node-name, next, previous, up
1276 @section Mathematical functions
1277 @cindex @code{function} (class)
1278 @cindex trigonometric function
1279 @cindex hyperbolic function
1280
1281 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1282 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1283 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1284
1285 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1286 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1287 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1288 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1289 the next example, showing how a function returns itself twice and
1290 finally an expression that may be really useful:
1291
1292 @cindex Gamma function
1293 @cindex @code{subs()}
1294 @example
1295     ...
1296     symbol x("x"), y("y");    
1297     ex foo = x+y/2;
1298     cout << tgamma(foo) << endl;
1299      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1300     ex bar = foo.subs(y==1);
1301     cout << tgamma(bar) << endl;
1302      // -> tgamma(x+1/2)
1303     ex foobar = bar.subs(x==7);
1304     cout << tgamma(foobar) << endl;
1305      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1306     ...
1307 @end example
1308
1309 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1310 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1311 this.
1312
1313 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1314 functions, where the argument list is templated.  This means that
1315 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1316 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1317 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1318 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1319 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1320 point number of class @code{numeric} you should call
1321 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1322 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1323 wrapped inside an @code{ex}.
1324
1325
1326 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1327 @c    node-name, next, previous, up
1328 @section Relations
1329 @cindex @code{relational} (class)
1330
1331 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1332 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1333 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1334 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1335 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1336 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1337
1338 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1339 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1340 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1341 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1342 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1343 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1344 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1345 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1346 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1347 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1348 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1349 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1350 @code{expand()} must be called explicitly.
1351
1352
1353 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1354 @c    node-name, next, previous, up
1355 @section Matrices
1356 @cindex @code{matrix} (class)
1357
1358 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1359 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1360 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1361 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1362
1363 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1364 elements:
1365
1366 @example
1367 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1368 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1369 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1370 ex diag_matrix(const lst & l);
1371 @end example
1372
1373 The first two functions are @code{matrix} constructors which create a matrix
1374 with @samp{r} rows and @samp{c} columns. The matrix elements can be
1375 initialized from a (flat) list of expressions @samp{l}. Otherwise they are
1376 all set to zero. The @code{lst_to_matrix()} function constructs a matrix
1377 from a list of lists, each list representing a matrix row. Finally,
1378 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1379 elements. Note that the last two functions return expressions, not matrix
1380 objects.
1381
1382 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1383 operator:
1384
1385 @example
1386 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1387 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1388 @end example
1389
1390 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1391 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1392 @samp{[]} is not available.
1393
1394 Here are a couple of examples that all construct the same 2x2 diagonal
1395 matrix:
1396
1397 @example
1398 @{
1399     symbol a("a"), b("b");
1400     ex e;
1401
1402     matrix M(2, 2);
1403     M(0, 0) = a;
1404     M(1, 1) = b;
1405     e = M;
1406
1407     e = matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b));
1408
1409     e = lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b)));
1410
1411     e = diag_matrix(lst(a, b));
1412
1413     cout << e << endl;
1414      // -> [[a,0],[0,b]]
1415 @}
1416 @end example
1417
1418 @cindex @code{transpose()}
1419 @cindex @code{inverse()}
1420 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1421 efficient one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1422
1423 @example
1424 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1425 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1426 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1427 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1428 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1429 matrix matrix::transpose(void) const;
1430 matrix matrix::inverse(void) const;
1431 @end example
1432
1433 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1434 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1435 and @math{C}:
1436
1437 @example
1438 @{
1439     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4));
1440     matrix B(2, 2, lst(-1, 0, 2, 1));
1441     matrix C(2, 2, lst(8, 4, 2, 1));
1442
1443     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1444     cout << result << endl;
1445      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1446     ...
1447 @}
1448 @end example
1449
1450 @cindex @code{evalm()}
1451 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1452 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1453 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1454 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1455 method
1456
1457 @example
1458 ex ex::evalm() const;
1459 @end example
1460
1461 to obtain the result:
1462
1463 @example
1464 @{
1465     ...
1466     ex e = A*B - 2*C;
1467     cout << e << endl;
1468      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1469     cout << e.evalm() << endl;
1470      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1471     ...
1472 @}
1473 @end example
1474
1475 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1476 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1477 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1478 dealing with non-commutative expressions.
1479
1480 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1481 to perform the arithmetic:
1482
1483 @example
1484 @{
1485     ...
1486     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1487     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1488     cout << e << endl;
1489      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1490     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1491      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1492 @}
1493 @end example
1494
1495 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1496 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1497 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1498 more information about using matrices with indices, and about indices in
1499 general.
1500
1501 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1502 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1503
1504 @example
1505 ex matrix::determinant(unsigned algo = determinant_algo::automatic) const;
1506 ex matrix::trace(void) const;
1507 ex matrix::charpoly(const symbol & lambda) const;
1508 @end example
1509
1510 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select between
1511 different algorithms for calculating the determinant. The possible values
1512 are defined in the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a
1513 heuristic to automatically select an algorithm that is likely to give the
1514 result most quickly.
1515
1516
1517 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1518 @c    node-name, next, previous, up
1519 @section Indexed objects
1520
1521 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1522 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1523 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1524 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1525
1526 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1527 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1528 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1529 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1530
1531 @cindex @code{idx} (class)
1532 @cindex @code{indexed} (class)
1533 @subsection Indexed quantities and their indices
1534
1535 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1536 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1537
1538 @itemize @bullet
1539
1540 @cindex contravariant
1541 @cindex covariant
1542 @cindex variance
1543 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1544 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1545 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1546 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1547 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1548 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1549
1550 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1551 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1552 one or more indices.
1553
1554 @end itemize
1555
1556 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1557 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1558 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1559 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1560 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1561 not visible in the output.
1562
1563 A simple example shall illustrate the concepts:
1564
1565 @example
1566 #include <iostream>
1567 #include <ginac/ginac.h>
1568 using namespace std;
1569 using namespace GiNaC;
1570
1571 int main()
1572 @{
1573     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1574     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1575
1576     symbol A("A");
1577     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1578      // -> A.i.j
1579     ...
1580 @end example
1581
1582 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1583 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1584 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1585 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1586 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1587 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1588 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1589 @code{j}.
1590
1591 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1592 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1593 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1594 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1595 correct and will raise an exception:
1596
1597 @example
1598 symbol i("i"), j("j");
1599 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1600 @end example
1601
1602 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1603 be numeric, and index dimensions symbolic:
1604
1605 @example
1606     ...
1607     symbol B("B"), dim("dim");
1608     cout << 4 * indexed(A, i)
1609           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1610      // -> B.j.2.i+4*A.i
1611     ...
1612 @end example
1613
1614 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1615 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1616 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1617 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1618 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1619
1620 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1621 arbitrary expressions:
1622
1623 @example
1624     ...
1625     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1626      // -> (B+A).(1+2*i)
1627     ...
1628 @end example
1629
1630 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1631 get an error message from this but you will probably not be able to do
1632 anything useful with it.
1633
1634 @cindex @code{get_value()}
1635 @cindex @code{get_dimension()}
1636 The methods
1637
1638 @example
1639 ex idx::get_value(void);
1640 ex idx::get_dimension(void);
1641 @end example
1642
1643 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1644 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1645 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1646 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1647
1648 There are also the methods
1649
1650 @example
1651 bool idx::is_numeric(void);
1652 bool idx::is_symbolic(void);
1653 bool idx::is_dim_numeric(void);
1654 bool idx::is_dim_symbolic(void);
1655 @end example
1656
1657 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1658 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1659 About Expressions}) returns information about the index value.
1660
1661 @cindex @code{varidx} (class)
1662 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1663
1664 @example
1665     ...
1666     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1667     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1668     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1669
1670     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1671      // -> A~mu~nu
1672     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1673      // -> A.mu~nu
1674     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1675      // -> A.mu~nu
1676     ...
1677 @end example
1678
1679 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1680 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1681 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1682 constructor. The two methods
1683
1684 @example
1685 bool varidx::is_covariant(void);
1686 bool varidx::is_contravariant(void);
1687 @end example
1688
1689 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1690 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1691 method
1692
1693 @example
1694 ex varidx::toggle_variance(void);
1695 @end example
1696
1697 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1698 variance. By using it you only have to define the index once.
1699
1700 @cindex @code{spinidx} (class)
1701 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1702 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1707     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1708                                             // contravariant, undotted
1709     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1710     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1711     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1712
1713     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1714      // -> K~C~D
1715     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
1716      // -> K.C~*D
1717     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
1718      // -> K.*D~D
1719     ...
1720 @end example
1721
1722 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
1723 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
1724 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
1725 methods
1726
1727 @example
1728 bool spinidx::is_dotted(void);
1729 bool spinidx::is_undotted(void);
1730 @end example
1731
1732 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
1733 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
1734 Finally, the two methods
1735
1736 @example
1737 ex spinidx::toggle_dot(void);
1738 ex spinidx::toggle_variance_dot(void);
1739 @end example
1740
1741 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
1742 and the same or opposite variance.
1743
1744 @subsection Substituting indices
1745
1746 @cindex @code{subs()}
1747 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
1748 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
1749 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
1750 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
1751
1752 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
1753 by another index or expression:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     ex e = indexed(A, mu_co);
1758     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
1759      // -> A.mu becomes A~nu
1760     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
1761      // -> A.mu becomes A~0
1762     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
1763      // -> A.mu becomes A.0
1764     ...
1765 @end example
1766
1767 The third example shows that trying to replace an index with something that
1768 is not an index will substitute the index value instead.
1769
1770 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
1771 another expression:
1772
1773 @example
1774     ...
1775     ex e = indexed(A, mu_co);
1776     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
1777      // -> A.mu becomes A.nu
1778     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
1779      // -> A.mu becomes A.0
1780     ...
1781 @end example
1782
1783 As you see, with the second method only the value of the index will get
1784 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
1785 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
1786 whole index by another one with the new dimension.
1787
1788 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
1789 expected:
1790
1791 @example
1792     ...
1793     ex e = indexed(A, mu_co);
1794     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
1795      // -> A.mu becomes (B+A).mu
1796     ...
1797 @end example
1798
1799 @subsection Symmetries
1800 @cindex @code{symmetry} (class)
1801 @cindex @code{sy_none()}
1802 @cindex @code{sy_symm()}
1803 @cindex @code{sy_anti()}
1804 @cindex @code{sy_cycl()}
1805
1806 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
1807 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
1808 that is constructed with the helper functions
1809
1810 @example
1811 symmetry sy_none(...);
1812 symmetry sy_symm(...);
1813 symmetry sy_anti(...);
1814 symmetry sy_cycl(...);
1815 @end example
1816
1817 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
1818 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
1819 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
1820 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
1821 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
1822 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
1823 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
1824 all indices.
1825
1826 Here are some examples of symmetry definitions:
1827
1828 @example
1829     ...
1830     // No symmetry:
1831     e = indexed(A, i, j);
1832     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
1833     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
1834
1835     // Symmetric in all three indices:
1836     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
1837     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1838     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
1839                                                // different canonical order
1840
1841     // Symmetric in the first two indices only:
1842     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
1843     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
1844
1845     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
1846     // be contiguous):
1847     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
1848     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
1849
1850     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
1851     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
1852     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
1853     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
1854
1855     // Cyclic symmetry in all three indices:
1856     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
1857     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1858
1859     // The following examples are invalid constructions that will throw
1860     // an exception at run time.
1861
1862     // An index may not appear multiple times:
1863     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
1864     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
1865
1866     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
1867     // same number of indices:
1868     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
1869
1870     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
1871     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
1872     ...
1873 @end example
1874
1875 If you need to specify more than four indices, you have to use the
1876 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
1877 full symmetry in the first six indices you would write
1878 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
1879
1880 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
1881 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
1882
1883 @example
1884     ...
1885     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
1886           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
1887      // -> 2*A.j.i
1888     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
1889           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
1890      // -> 0
1891     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
1892           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
1893      // -> 0
1894     ...
1895 @end example
1896
1897 @cindex @code{get_free_indices()}
1898 @cindex Dummy index
1899 @subsection Dummy indices
1900
1901 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
1902 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
1903 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
1904 dummy nor free indices.
1905
1906 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
1907 class and their value must be the same single symbol (an index like
1908 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
1909 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
1910 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
1911
1912 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
1913 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
1914 of a sum are consistent:
1915
1916 @example
1917 @{
1918     symbol A("A"), B("B"), C("C");
1919
1920     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
1921     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
1922
1923     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
1924     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1925      // -> (.i,.k)
1926      // 'j' and 'l' are dummy indices
1927
1928     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
1929     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
1930
1931     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
1932       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
1933     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1934      // -> (~mu,~rho)
1935      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
1936
1937     e = indexed(A, mu, mu);
1938     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1939      // -> (~mu)
1940      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
1941      // variance
1942
1943     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
1944     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
1945      // this will throw an exception:
1946      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
1947 @}
1948 @end example
1949
1950 @cindex @code{simplify_indexed()}
1951 @subsection Simplifying indexed expressions
1952
1953 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
1954 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
1955 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
1956 there is the method
1957
1958 @example
1959 ex ex::simplify_indexed(void);
1960 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
1961 @end example
1962
1963 that performs some more expensive operations:
1964
1965 @itemize
1966 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
1967   @code{get_free_indices()} does
1968 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
1969   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
1970 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
1971   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
1972   next section)
1973 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
1974   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
1975 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
1976   of two tensors with a user-defined value
1977 @end itemize
1978
1979 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
1980 which is used to store scalar products with known values (this is not an
1981 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
1982
1983 @example
1984 @{
1985     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
1986     idx i(i_sym, 3);
1987
1988     scalar_products sp;
1989     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
1990     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
1991     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
1992
1993     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
1994     cout << e << endl;
1995      // -> (B+A).i*(A+C).i
1996
1997     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
1998          << endl;
1999      // -> 4+C.i*B.i
2000 @}
2001 @end example
2002
2003 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2004 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2005 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2006 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2007 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2008 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2009 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2010 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2011
2012 @cindex @code{expand()}
2013 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2014 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2015 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2016
2017 @cindex @code{tensor} (class)
2018 @subsection Predefined tensors
2019
2020 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2021 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2022 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2023 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2024 indices are specified).
2025
2026 @cindex @code{delta_tensor()}
2027 @subsubsection Delta tensor
2028
2029 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2030 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2031 @code{delta_tensor()}:
2032
2033 @example
2034 @{
2035     symbol A("A"), B("B");
2036
2037     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2038         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2039
2040     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2041          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2042     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2043      // -> B.i.j*A.i.j
2044
2045     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2046      // -> 3
2047 @}
2048 @end example
2049
2050 @cindex @code{metric_tensor()}
2051 @subsubsection General metric tensor
2052
2053 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2054 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2055 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2056 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2057
2058 @example
2059 @{
2060     symbol A("A");
2061
2062     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2063
2064     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2065     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2066      // -> A~mu~rho
2067
2068     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2069     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2070      // -> g~mu~rho
2071
2072     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2073       * metric_tensor(nu, rho);
2074     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2075      // -> delta.mu~rho
2076
2077     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2078       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2079         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2080     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2081      // -> 4+A.rho~rho
2082 @}
2083 @end example
2084
2085 @cindex @code{lorentz_g()}
2086 @subsubsection Minkowski metric tensor
2087
2088 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2089 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2090 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2091 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2092 @samp{eta}):
2093
2094 @example
2095 @{
2096     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2097
2098     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2099       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2100     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2101      // -> 1
2102
2103     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2104       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2105     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2106      // -> -1
2107 @}
2108 @end example
2109
2110 @cindex @code{spinor_metric()}
2111 @subsubsection Spinor metric tensor
2112
2113 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2114 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2115 It is output as @samp{eps}:
2116
2117 @example
2118 @{
2119     symbol psi("psi");
2120
2121     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2122     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2123
2124     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2125     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2126      // -> psi~A
2127
2128     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2129     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2130      // -> -psi~B
2131
2132     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2133     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2134      // -> -psi.A
2135
2136     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2137     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2138      // -> psi.B
2139
2140     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2141     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2142      // -> 2
2143
2144     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2145     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2146      // -> -delta.A~C
2147 @}
2148 @end example
2149
2150 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2151
2152 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2153 @cindex @code{lorentz_eps()}
2154 @subsubsection Epsilon tensor
2155
2156 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2157 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2158 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2159 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2160 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2161 @samp{eps}.
2162
2163 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2164 dimensions:
2165
2166 @example
2167 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2168 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2169 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2170 @end example
2171
2172 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2173 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2174 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2175 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2176 tensor):
2177
2178 @example
2179 @{
2180     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2181            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2182     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2183         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2184     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2185      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2186
2187     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2188     symbol A("A"), B("B");
2189     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2190     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2191      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2192     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2193     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2194      // -> 0
2195 @}
2196 @end example
2197
2198 @subsection Linear algebra
2199
2200 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2201 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2202 and scalar products):
2203
2204 @example
2205 @{
2206     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2207     symbol x("x"), y("y");
2208
2209     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2210     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4)), X(2, 1, lst(x, y));
2211
2212     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2213      // -> 5
2214
2215     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2216     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2217      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2218
2219     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2220     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2221      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2222 @}
2223 @end example
2224
2225 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2226 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2227 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2228
2229 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2230 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2231 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2232 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2233
2234 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2235 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2236 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2237 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2238 of the metric tensor.
2239
2240
2241 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2242 @c    node-name, next, previous, up
2243 @section Non-commutative objects
2244
2245 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2246 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2247 physics:
2248
2249 @itemize
2250 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2251 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2252 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2253 @end itemize
2254
2255 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2256 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2257 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2258 @ref{Matrices}.
2259
2260 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2261 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2262 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2263 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2264 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2265 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2266 by their class. Consider this example:
2267
2268 @example
2269     ...
2270     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2271     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2272     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2273     cout << e << endl;
2274      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2275     ...
2276 @end example
2277
2278 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2279 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2280 together while preserving the order of factors within each class (because
2281 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2282 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2283 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2284 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2285
2286 @cindex @code{ncmul} (class)
2287 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2288 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2289 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2290 though.
2291
2292 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2293 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2294 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2295 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2296 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2297 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2298 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2299 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2300 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2301 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2302
2303 @cindex @code{return_type()}
2304 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2305 Information about the commutativity of an object or expression can be
2306 obtained with the two member functions
2307
2308 @example
2309 unsigned ex::return_type(void) const;
2310 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2311 @end example
2312
2313 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2314 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2315 expressions in GiNaC:
2316
2317 @itemize
2318 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2319   classes are of this kind.
2320 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2321   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2322   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2323   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2324   class.
2325 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2326   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2327   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2328   @code{noncommutative_composite} expressions.
2329 @end itemize
2330
2331 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2332 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2333 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2334 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2335
2336 Here are a couple of examples:
2337
2338 @cartouche
2339 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2340 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2341 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2342 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2343 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2344 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2345 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2346 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2347 @end multitable
2348 @end cartouche
2349
2350 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2351 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2352 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2353 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2354 for color objects.
2355
2356 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2357 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2358 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2359 non-commutative expressions).
2360
2361
2362 @cindex @code{clifford} (class)
2363 @subsection Clifford algebra
2364
2365 @cindex @code{dirac_gamma()}
2366 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2367 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2368 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2369 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2370
2371 @example
2372 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2373 @end example
2374
2375 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2376 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2377 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2378 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2379 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2380 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2381
2382 @cindex @code{dirac_ONE()}
2383 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2384
2385 @example
2386 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2387 @end example
2388
2389 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2390 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2391 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2392 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2393 GiNaC may produce incorrect results.
2394
2395 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2396 There's a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2397 gammas and in 4 dimensions equals @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3},
2398 provided by
2399
2400 @example
2401 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2402 @end example
2403
2404 @cindex @code{dirac_gamma6()}
2405 @cindex @code{dirac_gamma7()}
2406 The two additional functions
2407
2408 @example
2409 ex dirac_gamma6(unsigned char rl = 0);
2410 ex dirac_gamma7(unsigned char rl = 0);
2411 @end example
2412
2413 return @code{dirac_ONE(rl) + dirac_gamma5(rl)} and @code{dirac_ONE(rl) - dirac_gamma5(rl)},
2414 respectively.
2415
2416 @cindex @code{dirac_slash()}
2417 Finally, the function
2418
2419 @example
2420 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2421 @end example
2422
2423 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2424 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2425 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2426 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2427
2428 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2429 removed, squares are replaced by their values and @samp{gamma5} is
2430 anticommuted to the front. The @code{simplify_indexed()} function performs
2431 contractions in gamma strings, for example
2432
2433 @example
2434 @{
2435     ...
2436     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2437     varidx mu(symbol("mu"), D);
2438     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2439          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2440     cout << e << endl;
2441      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2442     e = e.simplify_indexed();
2443     cout << e << endl;
2444      // -> -D*a\+2*a\
2445     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2446      // -> -2*a\
2447     ...
2448 @}
2449 @end example
2450
2451 @cindex @code{dirac_trace()}
2452 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2453 you use the function
2454
2455 @example
2456 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2457 @end example
2458
2459 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2460 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2461 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2462 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2463 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2464 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2465 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2466 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2467 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2468
2469 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2470 @math{D != 4} dimensions:
2471
2472 @example
2473 @{
2474     // 4 dimensions
2475     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2476     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2477            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2478     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2479      // -> -8*eta~rho~nu
2480 @}
2481 ...
2482 @{
2483     // D dimensions
2484     symbol D("D");
2485     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2486     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2487            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2488     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2489      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2490 @}
2491 @end example
2492
2493 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2494 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2495 QED:
2496
2497 @example
2498 @{
2499     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2500     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2501
2502     scalar_products sp;
2503     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2504     sp.add(l, q, ldotq);
2505
2506     ex e = dirac_gamma(mu) *
2507            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2508            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2509            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2510     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2511     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2512     cout << e << endl;
2513      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2514 @}
2515 @end example
2516
2517 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2518 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2519 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2520
2521 @example
2522 @{
2523     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2524     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2525     cout << e << endl;
2526      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2527
2528     e = canonicalize_clifford(e);
2529     cout << e << endl;
2530      // -> 2*eta~mu~nu
2531 @}
2532 @end example
2533
2534
2535 @cindex @code{color} (class)
2536 @subsection Color algebra
2537
2538 @cindex @code{color_T()}
2539 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2540 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2541 elements @math{T_a} are constructed by the function
2542
2543 @example
2544 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2545 @end example
2546
2547 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2548 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2549 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2550 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2551 not @code{varidx}.
2552
2553 @cindex @code{color_ONE()}
2554 The unity element of a color algebra is constructed by
2555
2556 @example
2557 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2558 @end example
2559
2560 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2561 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2562 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2563 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2564 GiNaC may produce incorrect results.
2565
2566 @cindex @code{color_d()}
2567 @cindex @code{color_f()}
2568 The functions
2569
2570 @example
2571 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2572 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2573 @end example
2574
2575 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2576 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2577 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2578
2579 @cindex @code{color_h()}
2580 There's an additional function
2581
2582 @example
2583 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2584 @end example
2585
2586 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2587
2588 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2589 expressions containing color objects:
2590
2591 @example
2592 @{
2593     ...
2594     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2595         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2596
2597     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2598     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2599      // -> 0
2600
2601     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2602     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2603      // -> 5/3*delta.k.l
2604
2605     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2606     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2607      // -> 3*delta.k.l
2608
2609     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2610     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2611      // -> -32/3
2612
2613     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2614     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2615      // -> -2/3*T.a
2616
2617     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2618     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2619      // -> -8/9*ONE
2620
2621     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2622     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2623      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2624     ...
2625 @end example
2626
2627 @cindex @code{color_trace()}
2628 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2629 function
2630
2631 @example
2632 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2633 @end example
2634
2635 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2636 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2637 standing. For example:
2638
2639 @example
2640     ...
2641     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2642     cout << e << endl;
2643      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2644 @}
2645 @end example
2646
2647
2648 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2649 @c    node-name, next, previous, up
2650 @chapter Methods and Functions
2651 @cindex polynomial
2652
2653 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2654 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2655 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2656 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2657 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2658 example:
2659
2660 @example
2661     ...
2662     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2663     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2664     ...
2665 @end example
2666
2667 @cindex @code{subs()}
2668 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2669 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2670 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2671 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2672 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2673 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2674 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2675 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2676 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2677 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2678 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2679 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2680 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2681 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2682 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2683 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2684 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2685 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2686 avoided.
2687
2688 @menu
2689 * Information About Expressions::
2690 * Substituting Expressions::
2691 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2692 * Applying a Function on Subexpressions::
2693 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2694 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2695 * Symbolic Differentiation::
2696 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2697 * Symmetrization::
2698 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2699 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2700 @end menu
2701
2702
2703 @node Information About Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions, Methods and Functions
2704 @c    node-name, next, previous, up
2705 @section Getting information about expressions
2706
2707 @subsection Checking expression types
2708 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
2709 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
2710 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
2711 @cindex Converting @code{ex} to other classes
2712 @cindex @code{info()}
2713 @cindex @code{return_type()}
2714 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2715
2716 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
2717 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
2718 GiNaC provides a couple of functions for this:
2719
2720 @example
2721 bool is_a<T>(const ex & e);
2722 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
2723 bool ex::info(unsigned flag);
2724 unsigned ex::return_type(void) const;
2725 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2726 @end example
2727
2728 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
2729 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
2730 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
2731 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
2732
2733 @example
2734 @{
2735     @dots{}
2736     if (is_a<numeric>(e))
2737         numeric n = ex_to<numeric>(e);
2738     @dots{}
2739 @}
2740 @end example
2741
2742 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
2743 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
2744 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
2745 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
2746
2747 @example
2748 @{
2749     symbol x("x");
2750     ex e1 = 42;
2751     ex e2 = 4*x - 3;
2752     is_a<numeric>(e1);  // true
2753     is_a<numeric>(e2);  // false
2754     is_a<add>(e1);      // false
2755     is_a<add>(e2);      // true
2756     is_a<mul>(e1);      // false
2757     is_a<mul>(e2);      // false
2758 @}
2759 @end example
2760
2761 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
2762 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
2763 class @samp{T}, not including parent classes.
2764
2765 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
2766 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
2767 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
2768 table:
2769
2770 @cartouche
2771 @multitable @columnfractions .30 .70
2772 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
2773 @item @code{numeric}
2774 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
2775 @item @code{real}
2776 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
2777 @item @code{rational}
2778 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
2779 @item @code{integer}
2780 @tab @dots{}a (non-complex) integer
2781 @item @code{crational}
2782 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
2783 @item @code{cinteger}
2784 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
2785 @item @code{positive}
2786 @tab @dots{}not complex and greater than 0
2787 @item @code{negative}
2788 @tab @dots{}not complex and less than 0
2789 @item @code{nonnegative}
2790 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
2791 @item @code{posint}
2792 @tab @dots{}an integer greater than 0
2793 @item @code{negint}
2794 @tab @dots{}an integer less than 0
2795 @item @code{nonnegint}
2796 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
2797 @item @code{even}
2798 @tab @dots{}an even integer
2799 @item @code{odd}
2800 @tab @dots{}an odd integer
2801 @item @code{prime}
2802 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
2803 @item @code{relation}
2804 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
2805 @item @code{relation_equal}
2806 @tab @dots{}a @code{==} relation
2807 @item @code{relation_not_equal}
2808 @tab @dots{}a @code{!=} relation
2809 @item @code{relation_less}
2810 @tab @dots{}a @code{<} relation
2811 @item @code{relation_less_or_equal}
2812 @tab @dots{}a @code{<=} relation
2813 @item @code{relation_greater}
2814 @tab @dots{}a @code{>} relation
2815 @item @code{relation_greater_or_equal}
2816 @tab @dots{}a @code{>=} relation
2817 @item @code{symbol}
2818 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
2819 @item @code{list}
2820 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
2821 @item @code{polynomial}
2822 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
2823 @item @code{integer_polynomial}
2824 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
2825 @item @code{cinteger_polynomial}
2826 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
2827 @item @code{rational_polynomial}
2828 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
2829 @item @code{crational_polynomial}
2830 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
2831 @item @code{rational_function}
2832 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
2833 @item @code{algebraic}
2834 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
2835 @end multitable
2836 @end cartouche
2837
2838 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
2839 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
2840 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
2841 for an explanation of these.
2842
2843
2844 @subsection Accessing subexpressions
2845 @cindex @code{nops()}
2846 @cindex @code{op()}
2847 @cindex container
2848 @cindex @code{relational} (class)
2849
2850 GiNaC provides the two methods
2851
2852 @example
2853 unsigned ex::nops();
2854 ex ex::op(unsigned i);
2855 @end example
2856
2857 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
2858 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
2859 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
2860 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
2861 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
2862 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
2863 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
2864
2865 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
2866 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
2867
2868 @example
2869 ex ex::lhs();
2870 ex ex::rhs();
2871 @end example
2872
2873
2874 @subsection Comparing expressions
2875 @cindex @code{is_equal()}
2876 @cindex @code{is_zero()}
2877
2878 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
2879 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
2880 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
2881 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
2882 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
2883 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
2884 @code{false}.
2885
2886 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
2887 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
2888 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
2889
2890 There are also two methods
2891
2892 @example
2893 bool ex::is_equal(const ex & other);
2894 bool ex::is_zero();
2895 @end example
2896
2897 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
2898 respectively.
2899
2900 @strong{Warning:} You will also find an @code{ex::compare()} method in the
2901 GiNaC header files. This method is however only to be used internally by
2902 GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
2903 expressions will give very surprising results.
2904
2905
2906 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Information About Expressions, Methods and Functions
2907 @c    node-name, next, previous, up
2908 @section Substituting expressions
2909 @cindex @code{subs()}
2910
2911 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
2912 expressions via the @code{.subs()} method:
2913
2914 @example
2915 ex ex::subs(const ex & e);
2916 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls);
2917 @end example
2918
2919 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
2920 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
2921
2922 @example
2923 @{
2924     symbol x("x"), y("y");
2925
2926     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
2927     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
2928      // -> 73
2929
2930     ex e2 = x*y + x;
2931     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
2932      // -> -10
2933 @}
2934 @end example
2935
2936 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
2937 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
2938
2939 The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
2940 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
2941 contain the same number of elements). Using this form, you would write
2942 @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))} to exchange @samp{x} and @samp{y}.
2943
2944 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
2945 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
2946 following example:
2947
2948 @example
2949 @{
2950     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2951
2952     ex e1 = pow(x+y, 2);
2953     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
2954      // -> 16
2955
2956     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
2957     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
2958      // -> cos(x)^2*sin(y)
2959
2960     ex e3 = x+y+z;
2961     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
2962      // -> x+y+z
2963      // (and not 4+z as one might expect)
2964 @}
2965 @end example
2966
2967 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
2968 next section.
2969
2970
2971 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
2972 @c    node-name, next, previous, up
2973 @section Pattern matching and advanced substitutions
2974 @cindex @code{wildcard} (class)
2975 @cindex Pattern matching
2976
2977 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
2978 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
2979 substituting expressions in a more general way.
2980
2981 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
2982 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
2983 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
2984 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
2985 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
2986 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
2987 with the call
2988
2989 @example
2990 ex wild(unsigned label = 0);
2991 @end example
2992
2993 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
2994 name.
2995
2996 Some examples for patterns:
2997
2998 @multitable @columnfractions .5 .5
2999 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3000 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3001 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3002 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3003 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3004 @end multitable
3005
3006 Notes:
3007
3008 @itemize
3009 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3010   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3011 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3012   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3013   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3014 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3015   possible to use them as placeholders for other properties like index
3016   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3017   etc.
3018 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3019   as part of noncommutative products.
3020 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3021   are also valid patterns.
3022 @end itemize
3023
3024 @cindex @code{match()}
3025 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3026 matches a given pattern. This is done by the function
3027
3028 @example
3029 bool ex::match(const ex & pattern);
3030 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3031 @end example
3032
3033 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3034 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3035 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3036 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3037 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3038 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3039 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3040 expressions by passing in the result of a previous match.
3041
3042 The matching algorithm works as follows:
3043
3044 @itemize
3045 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3046   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3047   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3048   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3049 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3050   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3051   etc.).
3052 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3053   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3054 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3055   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3056   of the pattern.
3057 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3058   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3059 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3060   match the corresponding subexpression of the pattern.
3061 @end itemize
3062
3063 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3064 account for their commutativity and associativity:
3065
3066 @itemize
3067 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3068   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3069   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3070   way.
3071 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3072   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3073   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3074   further matches.
3075 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3076   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3077   which case this wildcard matches the remaining terms.
3078 @end itemize
3079
3080 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3081 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3082 ambiguous results.
3083
3084 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3085 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3086 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3087
3088 @example
3089 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3090 @{@}
3091 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3092 FAIL
3093 > match((x+y)^a,$1^$2);
3094 @{$1==x+y,$2==a@}
3095 > match((x+y)^a,$1^$1);
3096 FAIL
3097 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3098 @{$1==x+y@}
3099 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3100 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3101 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3102 @{$1==a@}
3103 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3104 @{$1==c,$2==b@}
3105   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3106 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3107   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3108    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3109    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3110    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3111    fail.)
3112 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3113   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3114    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3115 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3116 FAIL
3117 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3118 @{$0==a+e+b+f+d@}
3119 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3120 @{$0==a+b+f+d@}
3121 > match(a+b,a+b+$0);
3122 @{$0==0@}
3123 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3124 FAIL
3125   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3126    even though a==a^1.)
3127 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3128 @{$0==x@}
3129 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3130 @{$0==x^2@}
3131 @end example
3132
3133 @cindex @code{has()}
3134 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3135 member function
3136
3137 @example
3138 bool ex::has(const ex & pattern);
3139 @end example
3140
3141 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3142 by any of its subexpressions.
3143
3144 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3145 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3146
3147 @example
3148 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3149 1
3150 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3151 0
3152   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3153    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3154 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3155 1
3156   (But this is possible.)
3157 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3158 0
3159   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3160    which "x+y" is not a subexpression.)
3161 > has(x+1,x^$1);
3162 0
3163   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3164    "x^something".)
3165 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3166 1
3167 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3168 0
3169   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3170    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3171    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3172 @end example
3173
3174 @cindex @code{find()}
3175 The method
3176
3177 @example
3178 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3179 @end example
3180
3181 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3182 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3183 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3184 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3185 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3186
3187 @example
3188 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3189 @{x@}
3190 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3191 @{@}
3192 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3193 @{x^3,x^2@}
3194   (Note the absence of "x".)
3195 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3196 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3197 > find(%,sin($1));
3198 @{sin(y),sin(x)@}
3199 @end example
3200
3201 @cindex @code{subs()}
3202 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3203 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3204 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3205 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3206 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3207
3208 Some examples:
3209
3210 @example
3211 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3212 b^3+a^3+(x+y)^3
3213 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3214 b^4+a^4+(x+y)^4
3215 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3216 (a+b+c)^2
3217 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3218 (x+c)^2
3219 > subs(a+2*b,a+b==x);
3220 a+2*b
3221 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3222 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3223 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3224 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3225 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3226 cos(1+cos(x))
3227 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3228 a+b
3229 @end example
3230
3231 The last example would be written in C++ in this way:
3232
3233 @example
3234 @{
3235     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3236     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3237     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3238     cout << e.expand() << endl;
3239      // -> a+b
3240 @}
3241 @end example
3242
3243
3244 @node Applying a Function on Subexpressions, Polynomial Arithmetic, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3245 @c    node-name, next, previous, up
3246 @section Applying a Function on Subexpressions
3247 @cindex Tree traversal
3248 @cindex @code{map()}
3249
3250 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3251 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3252 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3253 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3254 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3255 to do this manually which usually results in code like this:
3256
3257 @example
3258 ex calc_trace(ex e)
3259 @{
3260     if (is_a<matrix>(e))
3261         return ex_to<matrix>(e).trace();
3262     else if (is_a<add>(e)) @{
3263         ex sum = 0;
3264         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++)
3265             sum += calc_trace(e.op(i));
3266         return sum;
3267     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3268         ...
3269     @} else @{
3270         ...
3271     @}
3272 @}
3273 @end example
3274
3275 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3276 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3277 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3278 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3279 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3280
3281 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3282 operations:
3283
3284 @example
3285 ex ex::map(map_function & f) const;
3286 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3287 @end example
3288
3289 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3290 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3291 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3292 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3293 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3294 non-recursively.
3295
3296 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3297 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3298 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3299 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3300 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3301
3302 @example
3303 struct calc_trace : public map_function @{
3304     ex operator()(const ex &e)
3305     @{
3306         if (is_a<matrix>(e))
3307             return ex_to<matrix>(e).trace();
3308         else if (is_a<mul>(e)) @{
3309             ...
3310         @} else
3311             return e.map(*this);
3312     @}
3313 @};
3314 @end example
3315
3316 This function object could then be used like this:
3317
3318 @example
3319 @{
3320     ex M = ... // expression with matrices
3321     calc_trace do_trace;
3322     ex tr = do_trace(M);
3323 @}
3324 @end example
3325
3326 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3327 terms in a variable from an expanded polynomial:
3328
3329 @example
3330 struct map_rem_quad : public map_function @{
3331     ex var;
3332     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3333
3334     ex operator()(const ex & e)
3335     @{
3336         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3337             return e.map(*this);
3338         else if (is_a<power>(e) && 
3339                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3340             return 0;
3341         else
3342             return e;
3343     @}
3344 @};
3345
3346 ...
3347
3348 @{
3349     symbol x("x"), y("y");
3350
3351     ex e;
3352     for (int i=0; i<8; i++)
3353         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3354     cout << e << endl;
3355      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
3356
3357     map_rem_quad rem_quad(x);
3358     cout << rem_quad(e) << endl;
3359      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3360 @}
3361 @end example
3362
3363 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3364 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3365 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3366 acts as the placeholder for the operands:
3367
3368 @example
3369 > map(a*b,sin($0));
3370 sin(a)*sin(b)
3371 > map(a+2*b,sin($0));
3372 sin(a)+sin(2*b)
3373 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3374 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3375 @end example
3376
3377 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3378 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3379 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3380
3381 @example
3382 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3383 @{0,0,0@}
3384   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3385   to "map(@{a,b,c@},0)".
3386 @end example
3387
3388
3389 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3390 @c    node-name, next, previous, up
3391 @section Polynomial arithmetic
3392
3393 @subsection Expanding and collecting
3394 @cindex @code{expand()}
3395 @cindex @code{collect()}
3396
3397 A polynomial in one or more variables has many equivalent
3398 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
3399 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
3400 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
3401 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
3402 representations are the recursive ones where one collects for exponents
3403 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
3404 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
3405 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
3406 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
3407 x*z}.
3408
3409 To bring an expression into expanded form, its method
3410
3411 @example
3412 ex ex::expand();
3413 @end example
3414
3415 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
3416 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
3417 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
3418 orderings of terms in such sums!
3419
3420 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
3421 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
3422 being polynomials in the remaining variables.  The method
3423 @code{collect()} accomplishes this task:
3424
3425 @example
3426 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
3427 @end example
3428
3429 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
3430 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
3431 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
3432 by the @code{distributed} flag.
3433
3434 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
3435 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
3436 coefficients properly.
3437
3438 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
3439 together with @code{find()}:
3440
3441 @example
3442 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
3443 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
3444 > collect(a,@{p,q@});
3445 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
3446 > collect(a,find(a,sin($1)));
3447 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
3448 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
3449 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
3450 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
3451 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
3452 @end example
3453
3454 @subsection Degree and coefficients
3455 @cindex @code{degree()}
3456 @cindex @code{ldegree()}
3457 @cindex @code{coeff()}
3458
3459 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
3460 methods
3461
3462 @example
3463 int ex::degree(const ex & s);
3464 int ex::ldegree(const ex & s);
3465 @end example
3466
3467 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
3468 on rational functions, returning the asymptotic degree). To extract
3469 a coefficient with a certain power from an expanded polynomial you use
3470
3471 @example
3472 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
3473 @end example
3474
3475 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
3476
3477 @example
3478 ex ex::lcoeff(const ex & s);
3479 ex ex::tcoeff(const ex & s);
3480 @end example
3481
3482 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
3483 respectively.
3484
3485 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
3486 polynomial is analyzed:
3487
3488 @example
3489 @{
3490     symbol x("x"), y("y");
3491     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
3492                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
3493     ex Poly = PolyInp.expand();
3494     
3495     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
3496         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
3497              << Poly.coeff(x,i) << endl;
3498     @}
3499     cout << "As polynomial in y: " 
3500          << Poly.collect(y) << endl;
3501 @}
3502 @end example
3503
3504 When run, it returns an output in the following fashion:
3505
3506 @example
3507 The x^0-coefficient is y^2+11*y
3508 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
3509 The x^2-coefficient is -1
3510 The x^3-coefficient is 4*y
3511 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
3512 @end example
3513
3514 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
3515 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
3516 within the user's sphere of influence.
3517
3518 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
3519 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
3520 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
3521 constants, functions and indexed objects as well:
3522
3523 @example
3524 @{
3525     symbol a("a"), b("b"), c("c");
3526     idx i(symbol("i"), 3);
3527
3528     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
3529     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
3530      // -> 4
3531     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
3532      // -> -4*cos(x)
3533
3534     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
3535     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
3536     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
3537      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
3538 @}
3539 @end example
3540
3541
3542 @subsection Polynomial division
3543 @cindex polynomial division
3544 @cindex quotient
3545 @cindex remainder
3546 @cindex pseudo-remainder
3547 @cindex @code{quo()}
3548 @cindex @code{rem()}
3549 @cindex @code{prem()}
3550 @cindex @code{divide()}
3551
3552 The two functions
3553
3554 @example
3555 ex quo(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3556 ex rem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3557 @end example
3558
3559 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
3560 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
3561
3562 The additional function
3563
3564 @example
3565 ex prem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3566 @end example
3567
3568 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
3569 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
3570
3571 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
3572
3573 @example
3574 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
3575 @end example
3576
3577 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
3578 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
3579 in which case the value of @code{q} is undefined.
3580
3581
3582 @subsection Unit, content and primitive part
3583 @cindex @code{unit()}
3584 @cindex @code{content()}
3585 @cindex @code{primpart()}
3586
3587 The methods
3588
3589 @example
3590 ex ex::unit(const symbol & x);
3591 ex ex::content(const symbol & x);
3592 ex ex::primpart(const symbol & x);
3593 @end example
3594
3595 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
3596 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
3597 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
3598 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
3599 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
3600 original polynomial.
3601
3602
3603 @subsection GCD and LCM
3604 @cindex GCD
3605 @cindex LCM
3606 @cindex @code{gcd()}
3607 @cindex @code{lcm()}
3608
3609 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
3610 multiple have the synopsis
3611
3612 @example
3613 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
3614 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
3615 @end example
3616
3617 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
3618 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
3619 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
3620 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
3621 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
3622
3623 @example
3624 #include <ginac/ginac.h>
3625 using namespace GiNaC;
3626
3627 int main()
3628 @{
3629     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3630     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
3631     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
3632
3633     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
3634     // x + 5*y + 4*z
3635     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
3636     // 4*x*y^2 + 13*y*x*z + 20*y^3 + 81*y^2*z + 67*y*z^2 + 3*x*z^2 + 12*z^3
3637 @}
3638 @end example
3639
3640
3641 @subsection Square-free decomposition
3642 @cindex square-free decomposition
3643 @cindex factorization
3644 @cindex @code{sqrfree()}
3645
3646 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
3647 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
3648 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
3649 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
3650 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
3651 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
3652 one, too:
3653 @example
3654 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
3655 @end example
3656 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
3657 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
3658 some care with subsequent processing of the result:
3659 @example
3660     ...
3661     symbol x("x"), y("y");
3662     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
3663
3664     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
3665      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
3666
3667     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
3668      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
3669
3670     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
3671      // -> depending on luck, any of the above
3672     ...
3673 @end example
3674 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
3675 with this method.
3676
3677
3678 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
3679 @c    node-name, next, previous, up
3680 @section Rational expressions
3681
3682 @subsection The @code{normal} method
3683 @cindex @code{normal()}
3684 @cindex simplification
3685 @cindex temporary replacement
3686
3687 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
3688 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
3689 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
3690 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
3691 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
3692 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
3693
3694 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
3695 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
3696 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
3697 functions before performing the normalization, and re-substituting these
3698 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
3699 @code{.to_rational()}, described below.
3700
3701 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
3702 simplified in this little code snippet:
3703
3704 @example
3705 @{
3706     symbol x("x");
3707     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
3708     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
3709     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
3710     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
3711 @}
3712 @end example
3713
3714 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
3715 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
3716 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
3717
3718
3719 @subsection Numerator and denominator
3720 @cindex numerator
3721 @cindex denominator
3722 @cindex @code{numer()}
3723 @cindex @code{denom()}
3724 @cindex @code{numer_denom()}
3725
3726 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
3727
3728 @example
3729 ex ex::numer();
3730 ex ex::denom();
3731 ex ex::numer_denom();
3732 @end example
3733
3734 These functions will first normalize the expression as described above and
3735 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
3736 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
3737 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
3738
3739
3740 @subsection Converting to a rational expression
3741 @cindex @code{to_rational()}
3742
3743 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
3744 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
3745 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
3746 above. You do this by calling
3747
3748 @example
3749 ex ex::to_rational(lst &l);
3750 @end example
3751
3752 on the expression to be converted. The supplied @code{lst} will be filled
3753 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in
3754 a format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
3755 already contain a list of replacements from an earlier application of
3756 @code{.to_rational()}, so it's possible to use it on multiple expressions
3757 and get consistent results.
3758
3759 For example,
3760
3761 @example
3762 @{
3763     symbol x("x");
3764     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
3765     ex b = sin(x) + cos(x);
3766     ex q;
3767     lst l;
3768     divide(a.to_rational(l), b.to_rational(l), q);
3769     cout << q.subs(l) << endl;
3770 @}
3771 @end example
3772
3773 will print @samp{sin(x)-cos(x)}.
3774
3775
3776 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
3777 @c    node-name, next, previous, up
3778 @section Symbolic differentiation
3779 @cindex differentiation
3780 @cindex @code{diff()}
3781 @cindex chain rule
3782 @cindex product rule
3783
3784 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
3785 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
3786 the derivatives of all the monomials:
3787
3788 @example
3789 @{
3790     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3791     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
3792
3793     cout << P.diff(x,2) << endl;
3794      // -> 20*x^3 + 2
3795     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
3796      // -> 1
3797     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
3798      // -> 0
3799 @}
3800 @end example
3801
3802 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
3803 returns the @var{n}th derivative.
3804
3805 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
3806 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
3807 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
3808 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
3809 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
3810 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
3811 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
3812 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
3813 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
3814 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
3815 lines:
3816
3817 @cindex Euler numbers
3818 @example
3819 #include <ginac/ginac.h>
3820 using namespace GiNaC;
3821
3822 ex EulerNumber(unsigned n)
3823 @{
3824     symbol x;
3825     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
3826     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
3827 @}
3828
3829 int main()
3830 @{
3831     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
3832         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
3833     return 0;
3834 @}
3835 @end example
3836
3837 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
3838 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
3839 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
3840
3841
3842 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
3843 @c    node-name, next, previous, up
3844 @section Series expansion
3845 @cindex @code{series()}
3846 @cindex Taylor expansion
3847 @cindex Laurent expansion
3848 @cindex @code{pseries} (class)
3849 @cindex @code{Order()}
3850
3851 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
3852 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
3853 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
3854 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
3855 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
3856 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
3857 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
3858 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
3859 term).  A sample application from special relativity could read:
3860
3861 @example
3862 #include <ginac/ginac.h>
3863 using namespace std;
3864 using namespace GiNaC;
3865
3866 int main()
3867 @{
3868     symbol v("v"), c("c");
3869     
3870     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
3871     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
3872     
3873     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
3874          << mass_nonrel << endl;
3875     
3876     cout << "the inverse square of this series is " << endl
3877          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
3878 @}
3879 @end example
3880
3881 Only calling the series method makes the last output simplify to
3882 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
3883 series raised to the power @math{-2}.
3884
3885 @cindex M@'echain's formula
3886 As another instructive application, let us calculate the numerical 
3887 value of Archimedes' constant
3888 @tex
3889 $\pi$
3890 @end tex
3891 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
3892 using M@'echain's amazing formula
3893 @tex
3894 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
3895 @end tex
3896 @ifnottex
3897 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
3898 @end ifnottex
3899 We may expand the arcus tangent around @code{0} and insert the fractions
3900 @code{1/5} and @code{1/239}.  But, as we have seen, a series in GiNaC
3901 carries an order term with it and the question arises what the system is
3902 supposed to do when the fractions are plugged into that order term.  The
3903 solution is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip
3904 the order term off:
3905
3906 @example
3907 #include <ginac/ginac.h>
3908 using namespace GiNaC;
3909
3910 ex mechain_pi(int degr)
3911 @{
3912     symbol x;
3913     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
3914     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
3915                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
3916     return pi_approx;
3917 @}
3918
3919 int main()
3920 @{
3921     using std::cout;  // just for fun, another way of...
3922     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
3923     ex pi_frac;
3924     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
3925         pi_frac = mechain_pi(i);
3926         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
3927              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
3928     @}
3929     return 0;
3930 @}
3931 @end example
3932
3933 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
3934 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
3935 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
3936 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
3937 program, it will type out:
3938
3939 @example
3940 2:      3804/1195
3941         3.1832635983263598326
3942 4:      5359397032/1706489875
3943         3.1405970293260603143
3944 6:      38279241713339684/12184551018734375
3945         3.141621029325034425
3946 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
3947         3.141591772182177295
3948 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
3949         3.1415926824043995174
3950 @end example
3951
3952
3953 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
3954 @c    node-name, next, previous, up
3955 @section Symmetrization
3956 @cindex @code{symmetrize()}
3957 @cindex @code{antisymmetrize()}
3958 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
3959
3960 The three methods
3961
3962 @example
3963 ex ex::symmetrize(const lst & l);
3964 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
3965 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
3966 @end example
3967
3968 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
3969 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
3970 weighted by the number of permutations.
3971
3972 The three additional methods
3973
3974 @example
3975 ex ex::symmetrize();
3976 ex ex::antisymmetrize();
3977 ex ex::symmetrize_cyclic();
3978 @end example
3979
3980 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
3981
3982 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
3983 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
3984
3985 @example
3986 @{
3987     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
3988     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
3989                                            
3990     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
3991      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
3992     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
3993      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
3994     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
3995      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
3996 @}
3997 @end example
3998
3999
4000 @node Built-in Functions, Input/Output, Symmetrization, Methods and Functions
4001 @c    node-name, next, previous, up
4002 @section Predefined mathematical functions
4003
4004 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4005
4006 @cartouche
4007 @multitable @columnfractions .30 .70
4008 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4009 @item @code{abs(x)}
4010 @tab absolute value
4011 @cindex @code{abs()}
4012 @item @code{csgn(x)}
4013 @tab complex sign
4014 @cindex @code{csgn()}
4015 @item @code{sqrt(x)}
4016 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4017 @cindex @code{sqrt()}
4018 @item @code{sin(x)}
4019 @tab sine
4020 @cindex @code{sin()}
4021 @item @code{cos(x)}
4022 @tab cosine
4023 @cindex @code{cos()}
4024 @item @code{tan(x)}
4025 @tab tangent
4026 @cindex @code{tan()}
4027 @item @code{asin(x)}
4028 @tab inverse sine
4029 @cindex @code{asin()}
4030 @item @code{acos(x)}
4031 @tab inverse cosine
4032 @cindex @code{acos()}
4033 @item @code{atan(x)}
4034 @tab inverse tangent
4035 @cindex @code{atan()}
4036 @item @code{atan2(y, x)}
4037 @tab inverse tangent with two arguments
4038 @item @code{sinh(x)}
4039 @tab hyperbolic sine
4040 @cindex @code{sinh()}
4041 @item @code{cosh(x)}
4042 @tab hyperbolic cosine
4043 @cindex @code{cosh()}
4044 @item @code{tanh(x)}
4045 @tab hyperbolic tangent
4046 @cindex @code{tanh()}
4047 @item @code{asinh(x)}
4048 @tab inverse hyperbolic sine
4049 @cindex @code{asinh()}
4050 @item @code{acosh(x)}
4051 @tab inverse hyperbolic cosine
4052 @cindex @code{acosh()}
4053 @item @code{atanh(x)}
4054 @tab inverse hyperbolic tangent
4055 @cindex @code{atanh()}
4056 @item @code{exp(x)}
4057 @tab exponential function
4058 @cindex @code{exp()}
4059 @item @code{log(x)}
4060 @tab natural logarithm
4061 @cindex @code{log()}
4062 @item @code{Li2(x)}
4063 @tab Dilogarithm
4064 @cindex @code{Li2()}
4065 @item @code{zeta(x)}
4066 @tab Riemann's zeta function
4067 @cindex @code{zeta()}
4068 @item @code{zeta(n, x)}
4069 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4070 @item @code{tgamma(x)}
4071 @tab Gamma function
4072 @cindex @code{tgamma()}
4073 @cindex Gamma function
4074 @item @code{lgamma(x)}
4075 @tab logarithm of Gamma function
4076 @cindex @code{lgamma()}
4077 @item @code{beta(x, y)}
4078 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4079 @cindex @code{beta()}
4080 @item @code{psi(x)}
4081 @tab psi (digamma) function
4082 @cindex @code{psi()}
4083 @item @code{psi(n, x)}
4084 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4085 @item @code{factorial(n)}
4086 @tab factorial function
4087 @cindex @code{factorial()}
4088 @item @code{binomial(n, m)}
4089 @tab binomial coefficients
4090 @cindex @code{binomial()}
4091 @item @code{Order(x)}
4092 @tab order term function in truncated power series
4093 @cindex @code{Order()}
4094 @end multitable
4095 @end cartouche
4096
4097 @cindex branch cut
4098 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4099 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4100 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4101 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4102 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4103 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4104 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4105 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4106 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4107 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4108 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4109 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4110 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4111 compatible with C99.
4112
4113
4114 @node Input/Output, Extending GiNaC, Built-in Functions, Methods and Functions
4115 @c    node-name, next, previous, up
4116 @section Input and output of expressions
4117 @cindex I/O
4118
4119 @subsection Expression output
4120 @cindex printing
4121 @cindex output of expressions
4122
4123 The easiest way to print an expression is to write it to a stream:
4124
4125 @example
4126 @{
4127     symbol x("x");
4128     ex e = 4.5+pow(x,2)*3/2;
4129     cout << e << endl;    // prints '(4.5)+3/2*x^2'
4130     // ...
4131 @end example
4132
4133 The output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
4134 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
4135 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
4136 is printed as @samp{x^2}).
4137
4138 It is possible to print expressions in a number of different formats with
4139 the method
4140
4141 @example
4142 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0);
4143 @end example
4144
4145 @cindex @code{print_context} (class)
4146 The type of @code{print_context} object passed in determines the format
4147 of the output. The possible types are defined in @file{ginac/print.h}.
4148 All constructors of @code{print_context} and derived classes take an
4149 @code{ostream &} as their first argument.
4150
4151 To print an expression in a way that can be directly used in a C or C++
4152 program, you pass a @code{print_csrc} object like this:
4153
4154 @example
4155     // ...
4156     cout << "float f = ";
4157     e.print(print_csrc_float(cout));
4158     cout << ";\n";
4159
4160     cout << "double d = ";
4161     e.print(print_csrc_double(cout));
4162     cout << ";\n";
4163
4164     cout << "cl_N n = ";
4165     e.print(print_csrc_cl_N(cout));
4166     cout << ";\n";
4167     // ...
4168 @end example
4169
4170 The three possible types mostly affect the way in which floating point
4171 numbers are written.
4172
4173 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to @code{x*x}):
4174
4175 @example
4176 float f = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
4177 double d = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
4178 cl_N n = (cln::cl_F("3.0")/cln::cl_F("2.0"))*(x*x)+cln::cl_F("4.5");
4179 @end example
4180
4181 The @code{print_context} type @code{print_tree} provides a dump of the
4182 internal structure of an expression for debugging purposes:
4183
4184 @example
4185     // ...
4186     e.print(print_tree(cout));
4187 @}
4188 @end example
4189
4190 produces
4191
4192 @example
4193 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4194     power, hash=0x9, flags=0x3, nops=2
4195         x (symbol), serial=3, hash=0x44a113a6, flags=0xf
4196         2 (numeric), hash=0x80000042, flags=0xf
4197     3/2 (numeric), hash=0x80000061, flags=0xf
4198     -----
4199     overall_coeff
4200     4.5L0 (numeric), hash=0x8000004b, flags=0xf
4201     =====
4202 @end example
4203
4204 This kind of output is also available in @command{ginsh} as the @code{print()}
4205 function.
4206
4207 Another useful output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
4208 It is rather similar to the default @code{print_context} but provides
4209 some braces needed by LaTeX for delimiting boxes and also converts some
4210 common objects to conventional LaTeX names. It is possible to give symbols
4211 a special name for LaTeX output by supplying it as a second argument to
4212 the @code{symbol} constructor.
4213
4214 For example, the code snippet
4215
4216 @example
4217     // ...
4218     symbol x("x");
4219     ex foo = lgamma(x).series(x==0,3);
4220     foo.print(print_latex(std::cout));
4221 @end example
4222
4223 will print out:
4224
4225 @example
4226     @{(-\ln(x))@}+@{(-\gamma_E)@} x+@{(1/12 \pi^2)@} x^@{2@}+\mathcal@{O@}(x^3)
4227 @end example
4228
4229 @cindex Tree traversal
4230 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
4231 with other algebra systems or for producing code for different
4232 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
4233
4234 @example
4235 static void my_print(const ex & e)
4236 @{
4237     if (is_a<function>(e))
4238         cout << ex_to<function>(e).get_name();
4239     else
4240         cout << e.bp->class_name();
4241     cout << "(";
4242     unsigned n = e.nops();
4243     if (n)
4244         for (unsigned i=0; i<n; i++) @{
4245             my_print(e.op(i));
4246             if (i != n-1)
4247                 cout << ",";
4248         @}
4249     else
4250         cout << e;
4251     cout << ")";
4252 @}
4253
4254 int main(void)
4255 @{
4256     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
4257     return 0;
4258 @}
4259 @end example
4260
4261 This will produce
4262
4263 @example
4264 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
4265 symbol(y))),numeric(-2)))
4266 @end example
4267
4268 If you need an output format that makes it possible to accurately
4269 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
4270 object factory, you should consider storing the expression in an
4271 @code{archive} object and reading the object properties from there.
4272 See the section on archiving for more information.
4273
4274
4275 @subsection Expression input
4276 @cindex input of expressions
4277
4278 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
4279 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
4280 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
4281 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
4282 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
4283
4284 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
4285 list of symbols to be used:
4286
4287 @example
4288 @{
4289     symbol x("x"), y("y");
4290     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
4291 @}
4292 @end example
4293
4294 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
4295 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
4296 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
4297 the list it will throw an exception.
4298
4299 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
4300
4301 @example
4302 #include <iostream>
4303 #include <string>
4304 #include <stdexcept>
4305 #include <ginac/ginac.h>
4306 using namespace std;
4307 using namespace GiNaC;
4308
4309 int main()
4310 @{
4311     symbol x("x");
4312     string s;
4313
4314     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
4315     getline(cin, s);
4316
4317     try @{
4318         ex e(s, lst(x));
4319         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
4320         cout << e.diff(x) << ".\n";
4321     @} catch (exception &p) @{
4322         cerr << p.what() << endl;
4323     @}
4324 @}
4325 @end example
4326
4327
4328 @subsection Archiving
4329 @cindex @code{archive} (class)
4330 @cindex archiving
4331
4332 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
4333 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
4334 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
4335 expression a unique name:
4336
4337 @example
4338 #include <fstream>
4339 using namespace std;
4340 #include <ginac/ginac.h>
4341 using namespace GiNaC;
4342
4343 int main()
4344 @{
4345     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4346
4347     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
4348     ex bar = foo + 1;
4349
4350     archive a;
4351     a.archive_ex(foo, "foo");
4352     a.archive_ex(bar, "the second one");
4353     // ...
4354 @end example
4355
4356 The archive can then be written to a file:
4357
4358 @example
4359     // ...
4360     ofstream out("foobar.gar");
4361     out << a;
4362     out.close();
4363     // ...
4364 @end example
4365
4366 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
4367 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
4368
4369 @cindex @command{viewgar}
4370 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
4371 the contents of GiNaC archive files:
4372
4373 @example
4374 $ viewgar foobar.gar
4375 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
4376 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
4377 @end example
4378
4379 The point of writing archive files is of course that they can later be
4380 read in again:
4381
4382 @example
4383     // ...
4384     archive a2;
4385     ifstream in("foobar.gar");
4386     in >> a2;
4387     // ...
4388 @end example
4389
4390 And the stored expressions can be retrieved by their name:
4391
4392 @example
4393     // ...
4394     lst syms(x, y);
4395
4396     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
4397     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
4398
4399     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
4400     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
4401     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
4402 @}
4403 @end example
4404
4405 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
4406 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
4407 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
4408 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
4409 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
4410 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
4411 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
4412 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
4413
4414 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
4415 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
4416 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
4417 functions that let you access the stored properties:
4418
4419 @example
4420 static void my_print2(const archive_node & n)
4421 @{
4422     string class_name;
4423     n.find_string("class", class_name);
4424     cout << class_name << "(";
4425
4426     archive_node::propinfovector p;
4427     n.get_properties(p);
4428
4429     unsigned num = p.size();
4430     for (unsigned i=0; i<num; i++) @{
4431         const string &name = p[i].name;
4432         if (name == "class")
4433             continue;
4434         cout << name << "=";
4435
4436         unsigned count = p[i].count;
4437         if (count > 1)
4438             cout << "@{";
4439
4440         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
4441             switch (p[i].type) @{
4442                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
4443                     bool x;
4444                     n.find_bool(name, x, j);
4445                     cout << (x ? "true" : "false");
4446                     break;
4447                 @}
4448                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
4449                     unsigned x;
4450                     n.find_unsigned(name, x, j);
4451                     cout << x;
4452                     break;
4453                 @}
4454                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
4455                     string x;
4456                     n.find_string(name, x, j);
4457                     cout << '\"' << x << '\"';
4458                     break;
4459                 @}
4460                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
4461                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
4462                     my_print2(x);
4463                     break;
4464                 @}
4465             @}
4466
4467             if (j != count-1)
4468                 cout << ",";
4469         @}
4470
4471         if (count > 1)
4472             cout << "@}";
4473
4474         if (i != num-1)
4475             cout << ",";
4476     @}
4477
4478     cout << ")";
4479 @}
4480
4481 int main(void)
4482 @{
4483     ex e = pow(2, x) - y;
4484     archive ar(e, "e");
4485     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
4486     return 0;
4487 @}
4488 @end example
4489
4490 This will produce:
4491
4492 @example
4493 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
4494 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
4495 overall_coeff=numeric(number="0"))
4496 @end example
4497
4498 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
4499 class may change between GiNaC versions.
4500
4501
4502 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
4503 @c    node-name, next, previous, up
4504 @chapter Extending GiNaC
4505
4506 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
4507 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
4508 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
4509 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
4510 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
4511 authors---they will happily incorporate them into future versions.
4512
4513 @menu
4514 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
4515 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
4516 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes.
4517 @end menu
4518
4519
4520 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
4521 @c    node-name, next, previous, up
4522 @section What doesn't belong into GiNaC
4523
4524 @cindex @command{ginsh}
4525 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
4526 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
4527 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
4528 language.  There are no loops or conditional expressions in
4529 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
4530 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
4531 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
4532 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
4533 the future.
4534
4535 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
4536 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
4537 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
4538 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
4539 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
4540 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
4541 provided by CLN are much better suited.
4542
4543
4544 @node Symbolic functions, Adding classes, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
4545 @c    node-name, next, previous, up
4546 @section Symbolic functions
4547
4548 The easiest and most instructive way to start with is probably to
4549 implement your own function.  GiNaC's functions are objects of class
4550 @code{function}.  The preprocessor is then used to convert the function
4551 names to objects with a corresponding serial number that is used
4552 internally to identify them.  You usually need not worry about this
4553 number.  New functions may be inserted into the system via a kind of
4554 `registry'.  It is your responsibility to care for some functions that
4555 are called when the user invokes certain methods.  These are usual
4556 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
4557 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
4558 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
4559 function that is called when one wishes to @code{eval} it.  It could
4560 look something like this:
4561
4562 @example
4563 static ex cos_eval_method(const ex & x)
4564 @{
4565     // if (!x%(2*Pi)) return 1
4566     // if (!x%Pi) return -1
4567     // if (!x%Pi/2) return 0
4568     // care for other cases...
4569     return cos(x).hold();
4570 @}
4571 @end example
4572
4573 @cindex @code{hold()}
4574 @cindex evaluation
4575 The last line returns @code{cos(x)} if we don't know what else to do and
4576 stops a potential recursive evaluation by saying @code{.hold()}, which
4577 sets a flag to the expression signaling that it has been evaluated.  We
4578 should also implement a method for numerical evaluation and since we are
4579 lazy we sweep the problem under the rug by calling someone else's
4580 function that does so, in this case the one in class @code{numeric}:
4581
4582 @example
4583 static ex cos_evalf(const ex & x)
4584 @{
4585     if (is_a<numeric>(x))
4586         return cos(ex_to<numeric>(x));
4587     else
4588         return cos(x).hold();
4589 @}
4590 @end example
4591
4592 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
4593 what the first derivative is (higher derivatives (@code{.diff(x,3)} for
4594 instance are then handled automatically by @code{basic::diff} and
4595 @code{ex::diff}):
4596
4597 @example
4598 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
4599 @{
4600     return -sin(x);
4601 @}
4602 @end example
4603
4604 @cindex product rule
4605 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
4606 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
4607 case the function has more than one parameter and its main application
4608 is for correct handling of the chain rule.  For Taylor expansion, it is
4609 enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
4610 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
4611 write another method for Laurent expansion around that point.
4612
4613 Now that all the ingredients for @code{cos} have been set up, we need
4614 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
4615 going to describe how it expands, please consult your preprocessor if you
4616 are curious:
4617
4618 @example
4619 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
4620                        evalf_func(cos_evalf).
4621                        derivative_func(cos_deriv));
4622 @end example
4623
4624 The first argument is the function's name used for calling it and for
4625 output.  The second binds the corresponding methods as options to this
4626 object.  Options are separated by a dot and can be given in an arbitrary
4627 order.  GiNaC functions understand several more options which are always
4628 specified as @code{.option(params)}, for example a method for series
4629 expansion @code{.series_func(cos_series)}.  Again, if no series
4630 expansion method is given, GiNaC defaults to simple Taylor expansion,
4631 which is correct if there are no poles involved as is the case for the
4632 @code{cos} function.  The way GiNaC handles poles in case there are any
4633 is best understood by studying one of the examples, like the Gamma
4634 (@code{tgamma}) function for instance.  (In essence the function first
4635 checks if there is a pole at the evaluation point and falls back to
4636 Taylor expansion if there isn't.  Then, the pole is regularized by some
4637 suitable transformation.)  Also, the new function needs to be declared
4638 somewhere.  This may also be done by a convenient preprocessor macro:
4639
4640 @example
4641 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
4642 @end example
4643
4644 The suffix @code{_1P} stands for @emph{one parameter}.  Of course, this
4645 implementation of @code{cos} is very incomplete and lacks several safety
4646 mechanisms.  Please, have a look at the real implementation in GiNaC.
4647 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
4648 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes.  We
4649 have done our best to avoid macros where we can.)
4650
4651
4652 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Symbolic functions, Extending GiNaC
4653 @c    node-name, next, previous, up
4654 @section Adding classes
4655
4656 If you are doing some very specialized things with GiNaC you may find that
4657 you have to implement your own algebraic classes to fit your needs. This
4658 section will explain how to do this by giving the example of a simple
4659 'string' class. After reading this section you will know how to properly
4660 declare a GiNaC class and what the minimum required member functions are
4661 that you have to implement. We only cover the implementation of a 'leaf'
4662 class here (i.e. one that doesn't contain subexpressions). Creating a
4663 container class like, for example, a class representing tensor products is
4664 more involved but this section should give you enough information so you can
4665 consult the source to GiNaC's predefined classes if you want to implement
4666 something more complicated.
4667
4668 @subsection GiNaC's run-time type information system
4669
4670 @cindex hierarchy of classes
4671 @cindex RTTI
4672 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
4673 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
4674 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
4675 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
4676 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
4677 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
4678 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
4679 system that provides this kind of information is called a run-time type
4680 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
4681 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
4682 implements its own, simpler RTTI.
4683
4684 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
4685
4686 @itemize @bullet
4687
4688 @item
4689 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
4690 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
4691 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
4692 classes. They all start with @code{TINFO_}.
4693
4694 @item
4695 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
4696 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
4697 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
4698 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
4699 @file{registrar.h} header file.
4700
4701 @end itemize
4702
4703 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
4704 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
4705 or less automatic) but don't worry, most of the work is simplified by
4706 macros.
4707
4708 @subsection A minimalistic example
4709
4710 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
4711 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
4712 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
4713 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
4714 for your own classes.
4715
4716 The code snippets given here assume that you have included some header files
4717 as follows:
4718
4719 @example
4720 #include <iostream>
4721 #include <string>   
4722 #include <stdexcept>
4723 using namespace std;
4724
4725 #include <ginac/ginac.h>
4726 using namespace GiNaC;
4727 @end example
4728
4729 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
4730 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
4731 by one of the existing classes but it's better to come up with something
4732 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
4733 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
4734 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
4735
4736 @example
4737 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
4738 @end example
4739
4740 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
4741 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
4742 object from a C or C++ string:
4743
4744 @example
4745 class mystring : public basic
4746 @{
4747     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4748   
4749 public:
4750     mystring(const string &s);
4751     mystring(const char *s);
4752
4753 private:
4754     string str;
4755 @};
4756
4757 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4758 @end example
4759
4760 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
4761 macros are defined in @file{registrar.h}.  They take the name of the class
4762 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
4763 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
4764 the first line after the opening brace of the class definition. The
4765 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
4766 source (at global scope, of course, not inside a function).
4767
4768 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
4769 declarations of the default and copy constructor, the destructor, the
4770 assignment operator and a couple of other functions that are required.  It
4771 also defines a type @code{inherited} which refers to the superclass so you
4772 don't have to modify your code every time you shuffle around the class
4773 hierarchy.  @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} implements the copy
4774 constructor, the destructor and the assignment operator.
4775
4776 Now there are nine member functions we have to implement to get a working
4777 class:
4778
4779 @itemize
4780
4781 @item
4782 @code{mystring()}, the default constructor.
4783
4784 @item
4785 @code{void destroy(bool call_parent)}, which is used in the destructor and the
4786 assignment operator to free dynamically allocated members. The @code{call_parent}
4787 specifies whether the @code{destroy()} function of the superclass is to be
4788 called also.
4789
4790 @item
4791 @code{void copy(const mystring &other)}, which is used in the copy constructor
4792 and assignment operator to copy the member variables over from another
4793 object of the same class.
4794
4795 @item
4796 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
4797 information needed to reconstruct an object of this class inside an
4798 @code{archive_node}.
4799
4800 @item
4801 @code{mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the unarchiving
4802 constructor. This constructs an instance of the class from the information
4803 found in an @code{archive_node}.
4804
4805 @item
4806 @code{ex unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the static
4807 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
4808 constructor.
4809
4810 @item
4811 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
4812 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
4813 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
4814 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
4815 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
4816 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
4817 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
4818 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
4819 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
4820 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
4821 defined.
4822
4823 @item
4824 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
4825 which are the two constructors we declared.
4826
4827 @end itemize
4828
4829 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
4830
4831 @example
4832 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring)
4833 @{
4834     // dynamically allocate resources here if required
4835 @}
4836 @end example
4837
4838 The golden rule is that in all constructors you have to set the
4839 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
4840 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
4841 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
4842 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
4843 (remember that in our case @code{inherited = basic}).  If the superclass
4844 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
4845 to the right value manually.
4846
4847 In the default constructor you should set all other member variables to
4848 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
4849 member gets set to an empty string automatically). The constructor(s) are of
4850 course also the right place to allocate any dynamic resources you require.
4851
4852 Next, the @code{destroy()} function:
4853
4854 @example
4855 void mystring::destroy(bool call_parent)
4856 @{
4857     // free dynamically allocated resources here if required
4858     if (call_parent)
4859         inherited::destroy(call_parent);
4860 @}
4861 @end example
4862
4863 This function is where we free all dynamically allocated resources.  We
4864 don't have any so we're not doing anything here, but if we had, for
4865 example, used a C-style @code{char *} to store our string, this would be
4866 the place to @code{delete[]} the string storage. If @code{call_parent}
4867 is true, we have to call the @code{destroy()} function of the superclass
4868 after we're done (to mimic C++'s automatic invocation of superclass
4869 destructors where @code{destroy()} is called from outside a destructor).
4870
4871 The @code{copy()} function just copies over the member variables from
4872 another object:
4873
4874 @example
4875 void mystring::copy(const mystring &other)
4876 @{
4877     inherited::copy(other);
4878     str = other.str;
4879 @}
4880 @end example
4881
4882 We can simply overwrite the member variables here. There's no need to worry
4883 about dynamically allocated storage.  The assignment operator (which is
4884 automatically defined by @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}, as you
4885 recall) calls @code{destroy()} before it calls @code{copy()}. You have to
4886 explicitly call the @code{copy()} function of the superclass here so
4887 all the member variables will get copied.
4888
4889 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
4890 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
4891 is really simple.  First, the archiving function:
4892
4893 @example
4894 void mystring::archive(archive_node &n) const
4895 @{
4896     inherited::archive(n);
4897     n.add_string("string", str);
4898 @}
4899 @end example
4900
4901 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
4902 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
4903 deem necessary for representing the object into the passed
4904 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
4905 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
4906 file.
4907
4908 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
4909 function:
4910
4911 @example
4912 mystring::mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
4913 @{
4914     n.find_string("string", str);
4915 @}
4916 @end example
4917
4918 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
4919 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
4920 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
4921 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
4922
4923 Finally, the unarchiving function:
4924
4925 @example
4926 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)
4927 @{
4928     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
4929 @}
4930 @end example
4931
4932 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
4933 four lines into your code literally (replacing the class name, of
4934 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
4935 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
4936 to global objects) you don't need a different implementation. For those
4937 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
4938 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
4939 automatically once it is no longer referenced.
4940
4941 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
4942 the string members:
4943
4944 @example
4945 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
4946 @{
4947     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
4948     int cmpval = str.compare(o.str);
4949     if (cmpval == 0)
4950         return 0;
4951     else if (cmpval < 0)
4952         return -1;
4953     else
4954         return 1;
4955 @}
4956 @end example
4957
4958 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
4959 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
4960 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
4961 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
4962 all relevant member variables.
4963
4964 Now the only thing missing is our two new constructors:
4965
4966 @example
4967 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
4968 @{
4969     // dynamically allocate resources here if required
4970 @}
4971
4972 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
4973 @{
4974     // dynamically allocate resources here if required
4975 @}
4976 @end example
4977
4978 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
4979 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
4980
4981 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
4982 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
4983
4984 @example
4985 ex e = mystring("Hello, world!");
4986 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
4987  // -> 1 (true)
4988
4989 cout << e.bp->class_name() << endl;
4990  // -> mystring
4991 @end example
4992
4993 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
4994
4995 @example
4996 cout << e << endl;
4997  // -> [mystring object]
4998 @end example
4999
5000 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
5001 doesn't yet know how to print itself. This is done in the @code{print()}
5002 member function. Let's say that we wanted to print the string surrounded
5003 by double quotes:
5004
5005 @example
5006 class mystring : public basic
5007 @{
5008     ...
5009 public:
5010     void print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
5011     ...
5012 @};
5013
5014 void mystring::print(const print_context &c, unsigned level) const
5015 @{
5016     // print_context::s is a reference to an ostream
5017     c.s << '\"' << str << '\"';
5018 @}
5019 @end example
5020
5021 The @code{level} argument is only required for container classes to
5022 correctly parenthesize the output. Let's try again to print the expression:
5023
5024 @example
5025 cout << e << endl;
5026  // -> "Hello, world!"
5027 @end example
5028
5029 Much better. The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
5030
5031 @example
5032 e += mystring("GiNaC rulez"); 
5033 cout << e << endl;
5034  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
5035 @end example
5036
5037 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
5038
5039 @example
5040 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
5041 cout << e << endl;
5042  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
5043 @end example
5044
5045 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
5046 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
5047 for your objects.
5048
5049 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
5050
5051 @example
5052 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
5053 cout << e << endl;
5054  // -> "Wow"^2
5055
5056 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
5057 cout << e.expand() << endl;
5058  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
5059 @end example
5060
5061 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
5062 concatenation. You would have to implement this yourself.
5063
5064 @subsection Automatic evaluation
5065
5066 @cindex @code{hold()}
5067 @cindex @code{eval()}
5068 @cindex evaluation
5069 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
5070 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
5071 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
5072 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
5073 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
5074 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
5075
5076 @example
5077 class mystring : public basic
5078 @{
5079     ...
5080 public:
5081     ex eval(int level = 0) const;
5082     ...
5083 @};
5084
5085 ex mystring::eval(int level) const
5086 @{
5087     string new_str;
5088     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
5089         char c = str[i];
5090         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
5091             new_str += tolower(c);
5092         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
5093             new_str += c;
5094     @}
5095
5096     if (new_str.length() == 0)
5097         return 0;
5098     else
5099         return mystring(new_str).hold();
5100 @}
5101 @end example
5102
5103 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
5104 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
5105 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
5106 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
5107 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
5108 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
5109 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
5110 unmodified, use @code{return this->hold();}.
5111
5112 Let's confirm that it works:
5113
5114 @example
5115 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
5116 cout << e << endl;
5117  // -> "helloworld"
5118
5119 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
5120 cout << e << endl;
5121  // -> 3*"wow"
5122 @end example
5123
5124 @subsection Other member functions
5125
5126 We have implemented only a small set of member functions to make the class
5127 work in the GiNaC framework. For a real algebraic class, there are probably
5128 some more functions that you will want to re-implement, such as
5129 @code{evalf()}, @code{series()} or @code{op()}. Have a look at @file{basic.h}
5130 or the header file of the class you want to make a subclass of to see
5131 what's there. One member function that you will most likely want to
5132 implement for terminal classes like the described string class is
5133 @code{calcchash()} that returns an @code{unsigned} hash value for the object
5134 which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much more
5135 efficiently.
5136
5137 You can, of course, also add your own new member functions. Remember,
5138 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
5139 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
5140 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
5141 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
5142 should become a need.
5143
5144 That's it. May the source be with you!
5145
5146
5147 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
5148 @c    node-name, next, previous, up
5149 @chapter A Comparison With Other CAS
5150 @cindex advocacy
5151
5152 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
5153 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
5154 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
5155 disadvantages over these systems.
5156
5157 @menu
5158 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
5159 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
5160 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
5161 @end menu
5162
5163 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
5164 @c    node-name, next, previous, up
5165 @section Advantages
5166
5167 GiNaC has several advantages over traditional Computer
5168 Algebra Systems, like 
5169
5170 @itemize @bullet
5171
5172 @item
5173 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
5174 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
5175 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
5176 in common C++, which is standardized.
5177
5178 @cindex STL
5179 @item
5180 structured data types: you can build up structured data types using
5181 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
5182 using unnamed lists of lists of lists.
5183
5184 @item
5185 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
5186 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
5187 nice for novice programmers, but dangerous.
5188     
5189 @item
5190 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
5191 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
5192 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
5193
5194 @item
5195 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
5196 separating interface and implementation.
5197
5198 @item
5199 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
5200 that it is free and available with source code.  And there are excellent
5201 C++-compilers for free, too.
5202     
5203 @item
5204 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
5205 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
5206 usually only extend on a high level by writing in the language defined
5207 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
5208 fix bugs in a traditional system.
5209
5210 @item
5211 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
5212 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
5213 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
5214 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
5215 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
5216 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
5217 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
5218 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
5219 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
5220 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
5221 FTP-site.
5222
5223 @item
5224 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
5225 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
5226 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
5227 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
5228 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
5229 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
5230 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
5231 system (i.e. @emph{Yacas}).
5232
5233 @item
5234 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
5235 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
5236 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
5237 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
5238 speed with other CAS.
5239
5240 @end itemize
5241
5242
5243 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
5244 @c    node-name, next, previous, up
5245 @section Disadvantages
5246
5247 Of course it also has some disadvantages:
5248
5249 @itemize @bullet
5250
5251 @item
5252 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
5253 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
5254 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
5255 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
5256 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
5257 not planned for the near future).
5258
5259 @item
5260 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
5261 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
5262 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
5263 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
5264 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
5265 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
5266 macros to let the compiler gather all static initializations, which
5267 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
5268 really believe that you need to use a different compiler.  We have
5269 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
5270 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
5271 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
5272 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
5273 yet ANSI compliant, support all needed features.
5274     
5275 @end itemize
5276
5277
5278 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
5279 @c    node-name, next, previous, up
5280 @section Why C++?
5281
5282 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
5283 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
5284 possible), separation between interface and implementation is not
5285 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
5286 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
5287 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
5288 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
5289 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
5290 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
5291 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
5292 any other programming language.
5293
5294
5295 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
5296 @c    node-name, next, previous, up
5297 @appendix Internal Structures
5298
5299 @menu
5300 * Expressions are reference counted::
5301 * Internal representation of products and sums::
5302 @end menu
5303
5304 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
5305 @c    node-name, next, previous, up
5306 @appendixsection Expressions are reference counted
5307
5308 @cindex reference counting
5309 @cindex copy-on-write
5310 @cindex garbage collection
5311 An expression is extremely light-weight since internally it works like a
5312 handle to the actual representation and really holds nothing more than a
5313 pointer to some other object.  What this means in practice is that
5314 whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the first
5315 no copying process is involved. Instead, the copying takes place as soon
5316 as you try to change the second.  Consider the simple sequence of code:
5317
5318 @example
5319 #include <iostream>
5320 #include <ginac/ginac.h>
5321 using namespace std;
5322 using namespace GiNaC;
5323
5324 int main()
5325 @{
5326     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5327     ex e1, e2;
5328
5329     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5330     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
5331     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
5332     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
5333     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
5334 @}
5335 @end example
5336
5337 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
5338 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
5339 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
5340 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
5341 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
5342 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
5343 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
5344 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
5345 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
5346 the object it points to too and deletes the object from memory if that
5347 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
5348 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
5349 can be:
5350
5351 @example
5352 @{
5353     symbol x("x"), y("y");
5354
5355     ex e1 = x + 3*y;
5356     ex e2 = pow(e1, 3);
5357     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
5358     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
5359          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
5360          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
5361 @}
5362 @end example
5363
5364 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
5365 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
5366 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
5367 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
5368 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
5369 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
5370 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
5371 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
5372 @code{3*e1^2}.
5373
5374 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
5375 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
5376 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
5377 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
5378 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
5379 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
5380 semantics, we recommend you have a look at the
5381 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
5382 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
5383 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
5384
5385
5386 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
5387 @c    node-name, next, previous, up
5388 @appendixsection Internal representation of products and sums
5389
5390 @cindex representation
5391 @cindex @code{add}
5392 @cindex @code{mul}
5393 @cindex @code{power}
5394 Although it should be completely transparent for the user of
5395 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
5396 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
5397 unexpanded symbolic expression 
5398 @tex
5399 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
5400 @end tex
5401 @ifnottex
5402 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
5403 @end ifnottex
5404 which could naively be represented by a tree of linear containers for
5405 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
5406 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
5407 fashion:
5408
5409 @image{repnaive}
5410
5411 @cindex pair-wise representation
5412 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
5413 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
5414 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
5415 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
5416 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
5417 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
5418 becomes much more flat:
5419
5420 @image{reppair}
5421
5422 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
5423 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
5424 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
5425 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
5426 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
5427 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
5428 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
5429 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
5430 representation, however, since they are still carrying a trivial
5431 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
5432 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
5433 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
5434 representation for
5435 @tex
5436 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
5437 @end tex
5438 @ifnottex
5439 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
5440 @end ifnottex
5441
5442 @image{repreal}
5443
5444 @cindex radical
5445 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
5446 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
5447 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
5448 same abstract class: the data representation is the same, only the
5449 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
5450 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
5451 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
5452
5453
5454 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
5455 @c    node-name, next, previous, up
5456 @appendix Package Tools
5457
5458 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
5459 setting the correct command line options for the compiler and linker
5460 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
5461
5462 @menu
5463 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
5464 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
5465 @end menu
5466
5467
5468 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
5469 @c    node-name, next, previous, up
5470 @section @command{ginac-config}
5471 @cindex ginac-config
5472
5473 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
5474 the compiler and linker command line options required to compile and
5475 link a program with the GiNaC library.
5476
5477 @command{ginac-config} takes the following flags:
5478
5479 @table @samp
5480 @item --version
5481 Prints out the version of GiNaC installed.
5482 @item --cppflags
5483 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
5484 @item --libs
5485 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
5486 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
5487 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
5488 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
5489 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
5490 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
5491 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
5492 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
5493 @end table
5494
5495 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
5496 script, as described below. It, however, can also be used directly from
5497 the command line using backquotes to compile a simple program. For
5498 example:
5499
5500 @example
5501 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
5502 @end example
5503
5504 This command line might expand to (for example):
5505
5506 @example
5507 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
5508   -lginac -lcln -lstdc++
5509 @end example
5510
5511 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
5512 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
5513
5514
5515 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
5516 @c    node-name, next, previous, up
5517 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
5518 @cindex AM_PATH_GINAC
5519
5520 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
5521 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
5522
5523 @example
5524 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
5525 @end example
5526
5527 This macro:
5528
5529 @itemize @bullet
5530
5531 @item
5532 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
5533 either found in the user's path, or from the environment variable
5534 @env{GINACLIB_CONFIG}.
5535
5536 @item
5537 Tests the installed libraries to make sure that their version
5538 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
5539 if not specified)
5540
5541 @item
5542 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
5543 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
5544 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
5545 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
5546 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
5547
5548 @item
5549 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
5550 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
5551
5552 @end itemize
5553
5554 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
5555 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
5556 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
5557 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
5558 aclocal the @samp{-I} option when running it.
5559
5560 @menu
5561 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
5562 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
5563 @end menu
5564
5565
5566 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
5567 @c    node-name, next, previous, up
5568 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
5569
5570 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
5571 the configure script.
5572
5573 Notes:
5574
5575 @itemize @bullet
5576
5577 @item
5578 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
5579 to be found by your system's dynamic linker.
5580   
5581 This is generally done by
5582
5583 @display
5584 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
5585 @end display
5586
5587 or by
5588    
5589 @display
5590 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
5591 @end display
5592
5593 or, as a last resort, 
5594  
5595 @display
5596 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
5597 running configure, for instance:
5598
5599 @example
5600 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
5601 @end example
5602 @end display
5603
5604 @item
5605 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
5606 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
5607 name of the executable
5608
5609 @item
5610 If you move the GiNaC package from its installed location,
5611 you will either need to modify @command{ginac-config} script
5612 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
5613
5614 @end itemize
5615
5616 Advanced note:
5617
5618 @itemize @bullet
5619 @item
5620 configure flags
5621   
5622 @example
5623 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
5624 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
5625 @end example
5626
5627 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
5628 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
5629 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
5630 @end itemize
5631
5632
5633 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
5634 @c    node-name, next, previous, up
5635 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
5636
5637 The following shows how to build a simple package using automake
5638 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
5639
5640 @example
5641 #include <ginac/ginac.h>
5642
5643 int main(void)
5644 @{
5645     GiNaC::symbol x("x");
5646     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
5647     std::cout << "Derivative of " << a 
5648               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
5649     return 0;
5650 @}
5651 @end example
5652
5653 You should first read the introductory portions of the automake
5654 Manual, if you are not already familiar with it.
5655
5656 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
5657 configure script:
5658
5659 @example
5660 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
5661 AC_INIT(simple.cpp)
5662 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
5663
5664 AC_PROG_CXX
5665 AC_PROG_INSTALL
5666 AC_LANG_CPLUSPLUS
5667
5668 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
5669   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
5670   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
5671 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
5672
5673 AC_OUTPUT(Makefile)
5674 @end example
5675
5676 The only command in this which is not standard for automake
5677 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
5678
5679 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
5680 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
5681 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
5682 the error message `need to have GiNaC installed'
5683
5684 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
5685
5686 @example
5687 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
5688 bin_PROGRAMS = simple
5689 simple_SOURCES = simple.cpp
5690 @end example
5691
5692 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
5693 from a single sourcefile @file{simple.cpp}. Since every program
5694 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
5695 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
5696 want to specify them on a per-program basis: for instance by
5697 adding the lines:
5698
5699 @example
5700 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
5701 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
5702 @end example
5703
5704 to the @file{Makefile.am}.
5705
5706 To try this example out, create a new directory and add the three
5707 files above to it.
5708
5709 Now execute the following commands:
5710
5711 @example
5712 $ automake --add-missing
5713 $ aclocal
5714 $ autoconf
5715 @end example
5716
5717 You now have a package that can be built in the normal fashion
5718
5719 @example
5720 $ ./configure
5721 $ make
5722 $ make install
5723 @end example
5724
5725
5726 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
5727 @c    node-name, next, previous, up
5728 @appendix Bibliography
5729
5730 @itemize @minus{}
5731
5732 @item
5733 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
5734
5735 @item
5736 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
5737
5738 @item
5739 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
5740
5741 @item
5742 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
5743
5744 @item
5745 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
5746 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
5747
5748 @item
5749 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
5750 James H. Davenport, Yvon Siret, and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
5751 Academic Press, London
5752
5753 @item
5754 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
5755 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
5756
5757 @item
5758 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
5759 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
5760
5761 @item
5762 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
5763
5764 @end itemize
5765
5766
5767 @node Concept Index, , Bibliography, Top
5768 @c    node-name, next, previous, up
5769 @unnumbered Concept Index
5770
5771 @printindex cp
5772
5773 @bye