]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Fixed example.
[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) 1999-2005 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, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2005 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{} 1999-2005 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., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, 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 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic Concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The Class Hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting Expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1159 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163
1164 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1165 @c    node-name, next, previous, up
1166 @section Numbers
1167 @cindex @code{numeric} (class)
1168
1169 @cindex GMP
1170 @cindex CLN
1171 @cindex rational
1172 @cindex fraction
1173 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1174 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1175 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1176 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1177 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1178 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1179 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1180 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1181 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1182 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1183 several useful things: First, it introduces the complex number field
1184 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1185 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1186 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1187 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1188 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1189 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1190 calculation of some useful constants.
1191
1192 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1193 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1194 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1195 integers, construction from C-float and construction from a string:
1196
1197 @example
1198 #include <iostream>
1199 #include <ginac/ginac.h>
1200 using namespace GiNaC;
1201
1202 int main()
1203 @{
1204     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1205     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1206     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1207     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1208     // Trott's constant in scientific notation:
1209     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1210     
1211     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1212     ...
1213 @end example
1214
1215 @cindex @code{I}
1216 @cindex complex numbers
1217 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1218 name @code{I}:
1219
1220 @example
1221     ...
1222     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1223     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1224 @}
1225 @end example
1226
1227 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1228 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1229 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1230 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1231 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1232 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1233 also.
1234
1235 @cindex @code{Digits}
1236 @cindex accuracy
1237 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1238 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1239 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1240 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1241 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1242 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1243 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1244 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1245 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1246 digits:
1247
1248 @example
1249 #include <iostream>
1250 #include <ginac/ginac.h>
1251 using namespace std;
1252 using namespace GiNaC;
1253
1254 void foo()
1255 @{
1256     numeric three(3.0), one(1.0);
1257     numeric x = one/three;
1258
1259     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1260     cout << x << endl;
1261     cout << Pi.evalf() << endl;
1262 @}
1263
1264 int main()
1265 @{
1266     foo();
1267     Digits = 60;
1268     foo();
1269     return 0;
1270 @}
1271 @end example
1272
1273 The above example prints the following output to screen:
1274
1275 @example
1276 in 17 digits:
1277 0.33333333333333333334
1278 3.1415926535897932385
1279 in 60 digits:
1280 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1281 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1282 @end example
1283
1284 @cindex rounding
1285 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1286 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1287 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1288 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1289 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1290 architectures with different word size, the above output might even
1291 differ with regard to actually computed digits.
1292
1293 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1294 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1295 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1296
1297 @subsection Tests on numbers
1298
1299 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1300 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1301 kind of information from them like asking whether that number is
1302 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1303 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1304 certain CLN functions.)
1305
1306 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1307 some multiple of its denominator and test what comes out:
1308
1309 @example
1310 #include <iostream>
1311 #include <ginac/ginac.h>
1312 using namespace std;
1313 using namespace GiNaC;
1314
1315 // some very important constants:
1316 const numeric twentyone(21);
1317 const numeric ten(10);
1318 const numeric five(5);
1319
1320 int main()
1321 @{
1322     numeric answer = twentyone;
1323
1324     answer /= five;
1325     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1326     answer *= ten;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1328 @}
1329 @end example
1330
1331 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1332 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1333 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1334 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1335 the result is automatically converted to a pure integer again.
1336 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1337 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1338 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1339 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1340 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1341 can be applied is listed in the following table.
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{.is_zero()}
1347 @tab @dots{}equal to zero
1348 @item @code{.is_positive()}
1349 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1350 @item @code{.is_integer()}
1351 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1352 @item @code{.is_pos_integer()}
1353 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1354 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1356 @item @code{.is_even()}
1357 @tab @dots{}an even integer
1358 @item @code{.is_odd()}
1359 @tab @dots{}an odd integer
1360 @item @code{.is_prime()}
1361 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1362 @item @code{.is_rational()}
1363 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1364 @item @code{.is_real()}
1365 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1366 @item @code{.is_cinteger()}
1367 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1368 @item @code{.is_crational()}
1369 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1370 @end multitable
1371 @end cartouche
1372
1373 @subsection Numeric functions
1374
1375 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1376 evaluated immediately:
1377
1378 @cartouche
1379 @multitable @columnfractions .30 .70
1380 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1381 @item @code{inverse(z)}
1382 @tab returns @math{1/z}
1383 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1384 @item @code{pow(a, b)}
1385 @tab exponentiation @math{a^b}
1386 @item @code{abs(z)}
1387 @tab absolute value
1388 @item @code{real(z)}
1389 @tab real part
1390 @cindex @code{real()}
1391 @item @code{imag(z)}
1392 @tab imaginary part
1393 @cindex @code{imag()}
1394 @item @code{csgn(z)}
1395 @tab complex sign (returns an @code{int})
1396 @item @code{numer(z)}
1397 @tab numerator of rational or complex rational number
1398 @item @code{denom(z)}
1399 @tab denominator of rational or complex rational number
1400 @item @code{sqrt(z)}
1401 @tab square root
1402 @item @code{isqrt(n)}
1403 @tab integer square root
1404 @cindex @code{isqrt()}
1405 @item @code{sin(z)}
1406 @tab sine
1407 @item @code{cos(z)}
1408 @tab cosine
1409 @item @code{tan(z)}
1410 @tab tangent
1411 @item @code{asin(z)}
1412 @tab inverse sine
1413 @item @code{acos(z)}
1414 @tab inverse cosine
1415 @item @code{atan(z)}
1416 @tab inverse tangent
1417 @item @code{atan(y, x)}
1418 @tab inverse tangent with two arguments
1419 @item @code{sinh(z)}
1420 @tab hyperbolic sine
1421 @item @code{cosh(z)}
1422 @tab hyperbolic cosine
1423 @item @code{tanh(z)}
1424 @tab hyperbolic tangent
1425 @item @code{asinh(z)}
1426 @tab inverse hyperbolic sine
1427 @item @code{acosh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic cosine
1429 @item @code{atanh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic tangent
1431 @item @code{exp(z)}
1432 @tab exponential function
1433 @item @code{log(z)}
1434 @tab natural logarithm
1435 @item @code{Li2(z)}
1436 @tab dilogarithm
1437 @item @code{zeta(z)}
1438 @tab Riemann's zeta function
1439 @item @code{tgamma(z)}
1440 @tab gamma function
1441 @item @code{lgamma(z)}
1442 @tab logarithm of gamma function
1443 @item @code{psi(z)}
1444 @tab psi (digamma) function
1445 @item @code{psi(n, z)}
1446 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1447 @item @code{factorial(n)}
1448 @tab factorial function @math{n!}
1449 @item @code{doublefactorial(n)}
1450 @tab double factorial function @math{n!!}
1451 @cindex @code{doublefactorial()}
1452 @item @code{binomial(n, k)}
1453 @tab binomial coefficients
1454 @item @code{bernoulli(n)}
1455 @tab Bernoulli numbers
1456 @cindex @code{bernoulli()}
1457 @item @code{fibonacci(n)}
1458 @tab Fibonacci numbers
1459 @cindex @code{fibonacci()}
1460 @item @code{mod(a, b)}
1461 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1462 @cindex @code{mod()}
1463 @item @code{smod(a, b)}
1464 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1465 @cindex @code{smod()}
1466 @item @code{irem(a, b)}
1467 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1468 @cindex @code{irem()}
1469 @item @code{irem(a, b, q)}
1470 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1471 @item @code{iquo(a, b)}
1472 @tab integer quotient
1473 @cindex @code{iquo()}
1474 @item @code{iquo(a, b, r)}
1475 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1476 @item @code{gcd(a, b)}
1477 @tab greatest common divisor
1478 @item @code{lcm(a, b)}
1479 @tab least common multiple
1480 @end multitable
1481 @end cartouche
1482
1483 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1484 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1485 as polynomial algorithms.
1486
1487 @subsection Converting numbers
1488
1489 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1490 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1491 class provides a couple of methods for this purpose:
1492
1493 @cindex @code{to_int()}
1494 @cindex @code{to_long()}
1495 @cindex @code{to_double()}
1496 @cindex @code{to_cl_N()}
1497 @example
1498 int numeric::to_int() const;
1499 long numeric::to_long() const;
1500 double numeric::to_double() const;
1501 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1502 @end example
1503
1504 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1505 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1506 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1507 rational number will return a floating-point approximation. Both
1508 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1509 part of complex numbers.
1510
1511
1512 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1513 @c    node-name, next, previous, up
1514 @section Constants
1515 @cindex @code{constant} (class)
1516
1517 @cindex @code{Pi}
1518 @cindex @code{Catalan}
1519 @cindex @code{Euler}
1520 @cindex @code{evalf()}
1521 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1522 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1523
1524 The predefined known constants are:
1525
1526 @cartouche
1527 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1528 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1529 @item @code{Pi}
1530 @tab Archimedes' constant
1531 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1532 @item @code{Catalan}
1533 @tab Catalan's constant
1534 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1535 @item @code{Euler}
1536 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1537 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1538 @end multitable
1539 @end cartouche
1540
1541
1542 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1543 @c    node-name, next, previous, up
1544 @section Sums, products and powers
1545 @cindex polynomial
1546 @cindex @code{add}
1547 @cindex @code{mul}
1548 @cindex @code{power}
1549
1550 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1551 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1552 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1553 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1554 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1555 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1556 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1557 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1558
1559 @example
1560     ...
1561     symbol a("a"), b("b");
1562     ex MyTerm = 1+a*b;
1563     ...
1564 @end example
1565
1566 @cindex @code{pow()}
1567 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1568 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1569 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1570 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1571 have several counterintuitive and undesired effects:
1572
1573 @itemize @bullet
1574 @item
1575 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1576 @item
1577 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1578 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1579 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1580 @item
1581 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1582 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1583 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1584 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1585 has requested @code{2^3}.)
1586 @end itemize
1587
1588 @cindex @command{ginsh}
1589 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1590 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1591 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1592 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1593 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1594 not exist at all in C++).
1595
1596 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1597 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1598 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1599 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1600 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1601 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1602 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1603 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1604 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1605 @code{x} negative.
1606
1607 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1608 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1609 and safe simplifications are carried out like transforming
1610 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1611
1612
1613 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1614 @c    node-name, next, previous, up
1615 @section Lists of expressions
1616 @cindex @code{lst} (class)
1617 @cindex lists
1618 @cindex @code{nops()}
1619 @cindex @code{op()}
1620 @cindex @code{append()}
1621 @cindex @code{prepend()}
1622 @cindex @code{remove_first()}
1623 @cindex @code{remove_last()}
1624 @cindex @code{remove_all()}
1625
1626 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1627 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1628 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1629 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1630 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1631
1632 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1633 expressions:
1634
1635 @example
1636 @{
1637     symbol x("x"), y("y");
1638     lst l;
1639     l = x, 2, y, x+y;
1640     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1641     // in that order
1642     ...
1643 @end example
1644
1645 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1646 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1647
1648 @example
1649     ...
1650     // This produces the same list 'l' as above:
1651     // lst l(x, 2, y, x+y);
1652     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1653     ...
1654 @end example
1655
1656 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1657 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1658 individual elements:
1659
1660 @example
1661     ...
1662     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1663     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1664     ...
1665 @end example
1666
1667 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1668 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1669 sequential access to the elements of a list is possible with the
1670 iterator types provided by the @code{lst} class:
1671
1672 @example
1673 typedef ... lst::const_iterator;
1674 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1675 lst::const_iterator lst::begin() const;
1676 lst::const_iterator lst::end() const;
1677 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1678 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1679 @end example
1680
1681 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1682
1683 @example
1684     ...
1685     // O(N)
1686     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1687         cout << *i << endl;
1688     ...
1689 @end example
1690
1691 which is one order faster than
1692
1693 @example
1694     ...
1695     // O(N^2)
1696     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1697         cout << l.op(i) << endl;
1698     ...
1699 @end example
1700
1701 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1702 the C++ standard library:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1707     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1708
1709     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1710     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1711     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1712     ...
1713 @end example
1714
1715 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1716 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1717
1718 @example
1719     ...
1720     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1721     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1722     ...
1723 @end example
1724
1725 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1726 and @code{prepend()} methods:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1731     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1736 and @code{remove_last()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1741     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1742     ...
1743 @end example
1744
1745 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1746
1747 @example
1748     ...
1749     l.remove_all();     // l is now empty
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     lst l1, l2;
1758     l1 = x, 2, y, x+y;
1759     l2 = 2, x+y, x, y;
1760     l1.sort();
1761     l2.sort();
1762     // l1 and l2 are now equal
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1767 elements with @code{unique()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     lst l3;
1772     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1773     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1774 @}
1775 @end example
1776
1777
1778 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1779 @c    node-name, next, previous, up
1780 @section Mathematical functions
1781 @cindex @code{function} (class)
1782 @cindex trigonometric function
1783 @cindex hyperbolic function
1784
1785 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1786 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1787 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1788
1789 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1790 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1791 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1792 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1793 the next example, showing how a function returns itself twice and
1794 finally an expression that may be really useful:
1795
1796 @cindex Gamma function
1797 @cindex @code{subs()}
1798 @example
1799     ...
1800     symbol x("x"), y("y");    
1801     ex foo = x+y/2;
1802     cout << tgamma(foo) << endl;
1803      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1804     ex bar = foo.subs(y==1);
1805     cout << tgamma(bar) << endl;
1806      // -> tgamma(x+1/2)
1807     ex foobar = bar.subs(x==7);
1808     cout << tgamma(foobar) << endl;
1809      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1810     ...
1811 @end example
1812
1813 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1814 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1815 this.
1816
1817 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1818 functions, where the argument list is templated.  This means that
1819 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1820 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1821 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1822 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1823 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1824 point number of class @code{numeric} you should call
1825 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1826 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1827 wrapped inside an @code{ex}.
1828
1829
1830 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1831 @c    node-name, next, previous, up
1832 @section Relations
1833 @cindex @code{relational} (class)
1834
1835 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1836 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1837 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1838 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1839 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1840 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1841
1842 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1843 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1844 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1845 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1846 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1847 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1848 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1849 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1850 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1851 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1852 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1853 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1854 @code{expand()} must be called explicitly.
1855
1856 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1857 @c    node-name, next, previous, up
1858 @section Integrals
1859 @cindex @code{integral} (class)
1860
1861 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1862 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1863 1, you would write this as
1864 @example
1865 integral(x, 0, 1, x*x)
1866 @end example
1867 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1868 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1869 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1870 can be evaluated symbolically by calling the
1871 @example
1872 .eval_integ()
1873 @end example
1874 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1875 @example
1876 .evalf()
1877 @end example
1878 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1879 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1880 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1881 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1882 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1883 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1884 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1885 integrals is determined by the static member variable
1886 @example
1887 ex integral::relative_integration_error
1888 @end example
1889 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1890 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1891 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1892 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1893 variable
1894 @example
1895 int integral::max_integration_level
1896 @end example
1897 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1898 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1899 evaluation, is also available as
1900 @example
1901 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1902 const ex & error)
1903 @end example
1904 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1905 last parameter of the function is optional and defaults to the
1906 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1907 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1908 a lookup table is used.
1909
1910 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1911 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1912 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1913 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1914 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1915 with respect to the integration variable.
1916
1917 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1918 @c    node-name, next, previous, up
1919 @section Matrices
1920 @cindex @code{matrix} (class)
1921
1922 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1923 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1924 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1925 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1926
1927 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1928 elements. The constructor
1929
1930 @example
1931 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1932 @end example
1933
1934 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1935 set to zero.
1936
1937 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1938 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1939 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1940
1941 @example
1942 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1943 @end example
1944
1945 The function
1946
1947 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1948 @example
1949 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1950 @end example
1951
1952 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1953
1954 There is also a set of functions for creating some special types of
1955 matrices:
1956
1957 @cindex @code{diag_matrix()}
1958 @cindex @code{unit_matrix()}
1959 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1960 @example
1961 ex diag_matrix(const lst & l);
1962 ex unit_matrix(unsigned x);
1963 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1964 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1965 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1966                    const string & tex_base_name);
1967 @end example
1968
1969 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1970 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1971 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1972 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1973 and the position of each element in the matrix.
1974
1975 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1976 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1977 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1978 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1979 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1980 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1981
1982 @cindex @code{sub_matrix()}
1983 @cindex @code{reduced_matrix()}
1984 @example
1985 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1986 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1987 @end example
1988
1989 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1990 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1991 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1992 that specify which row and column to remove:
1993
1994 @example
1995 @{
1996     matrix m(3,3);
1997     m = 11, 12, 13,
1998         21, 22, 23,
1999         31, 32, 33;
2000     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2001     // -> [[11,13],[31,33]]
2002     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2003     // -> [[22,23],[32,33]]
2004 @}
2005 @end example
2006
2007 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2008 operator:
2009
2010 @example
2011 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2012 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2013 @end example
2014
2015 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2016 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2017 @samp{[]} is not available.
2018
2019 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2020
2021 @example
2022 @{
2023     symbol a("a"), b("b");
2024
2025     matrix M(2, 2);
2026     M = a, 0,
2027         0, b;
2028     cout << M << endl;
2029      // -> [[a,0],[0,b]]
2030
2031     matrix M2(2, 2);
2032     M2(0, 0) = a;
2033     M2(1, 1) = b;
2034     cout << M2 << endl;
2035      // -> [[a,0],[0,b]]
2036
2037     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2038      // -> [[a,0],[0,b]]
2039
2040     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2041      // -> [[a,0],[0,b]]
2042
2043     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2044      // -> [[a,0],[0,b]]
2045
2046     cout << unit_matrix(3) << endl;
2047      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2048
2049     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2050      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2051 @}
2052 @end example
2053
2054 @cindex @code{transpose()}
2055 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2056 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2057
2058 @example
2059 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2060 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2061 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2063 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2064 matrix matrix::transpose() const;
2065 @end example
2066
2067 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2068 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2069 and @math{C}:
2070
2071 @example
2072 @{
2073     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2074     A =  1, 2,
2075          3, 4;
2076     B = -1, 0,
2077          2, 1;
2078     C =  8, 4,
2079          2, 1;
2080
2081     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2082     cout << result << endl;
2083      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2084     ...
2085 @}
2086 @end example
2087
2088 @cindex @code{evalm()}
2089 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2090 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2091 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2092 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2093 method
2094
2095 @example
2096 ex ex::evalm() const;
2097 @end example
2098
2099 to obtain the result:
2100
2101 @example
2102 @{
2103     ...
2104     ex e = A*B - 2*C;
2105     cout << e << endl;
2106      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2107     cout << e.evalm() << endl;
2108      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2109     ...
2110 @}
2111 @end example
2112
2113 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2114 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2115 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2116 dealing with non-commutative expressions.
2117
2118 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2119 to perform the arithmetic:
2120
2121 @example
2122 @{
2123     ...
2124     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2125     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2126     cout << e << endl;
2127      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2128     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2129      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2130 @}
2131 @end example
2132
2133 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2134 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2135 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2136 more information about using matrices with indices, and about indices in
2137 general.
2138
2139 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2140 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2141
2142 @cindex @code{determinant()}
2143 @cindex @code{trace()}
2144 @cindex @code{charpoly()}
2145 @cindex @code{rank()}
2146 @example
2147 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2148 ex matrix::trace() const;
2149 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2150 unsigned matrix::rank() const;
2151 @end example
2152
2153 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2154 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2155 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2156 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2157 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2158 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2159 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2160 quickly.
2161
2162 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2163 @cindex @code{solve()}
2164 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2165 method and linear systems may be solved with:
2166
2167 @example
2168 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2169                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2170 @end example
2171
2172 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2173 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2174 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2175 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2176 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2177 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2178 overdetermined, an exception is thrown.
2179
2180
2181 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2182 @c    node-name, next, previous, up
2183 @section Indexed objects
2184
2185 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2186 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2187 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2188 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2189
2190 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2191 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2192 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2193 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2194
2195 @cindex @code{idx} (class)
2196 @cindex @code{indexed} (class)
2197 @subsection Indexed quantities and their indices
2198
2199 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2200 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2201
2202 @itemize @bullet
2203
2204 @cindex contravariant
2205 @cindex covariant
2206 @cindex variance
2207 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2208 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2209 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2210 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2211 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2212 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2213
2214 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2215 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2216 one or more indices.
2217
2218 @end itemize
2219
2220 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2221 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2222 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2223 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2224 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2225 not visible in the output.
2226
2227 A simple example shall illustrate the concepts:
2228
2229 @example
2230 #include <iostream>
2231 #include <ginac/ginac.h>
2232 using namespace std;
2233 using namespace GiNaC;
2234
2235 int main()
2236 @{
2237     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2238     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2239
2240     symbol A("A");
2241     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2242      // -> A.i.j
2243     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i[3].j[3]
2245     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2246     ...
2247 @end example
2248
2249 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2250 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2251 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2252 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2253 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2254 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2255 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2256 @code{j}.
2257
2258 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2259 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2260 as shown above.
2261
2262 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2263 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2264 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2265 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2266 correct and will raise an exception:
2267
2268 @example
2269 symbol i("i"), j("j");
2270 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2271 @end example
2272
2273 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2274 be numeric, and index dimensions symbolic:
2275
2276 @example
2277     ...
2278     symbol B("B"), dim("dim");
2279     cout << 4 * indexed(A, i)
2280           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2281      // -> B.j.2.i+4*A.i
2282     ...
2283 @end example
2284
2285 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2286 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2287 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2288 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2289 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2290
2291 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2292 arbitrary expressions:
2293
2294 @example
2295     ...
2296     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2297      // -> (B+A).(1+2*i)
2298     ...
2299 @end example
2300
2301 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2302 get an error message from this but you will probably not be able to do
2303 anything useful with it.
2304
2305 @cindex @code{get_value()}
2306 @cindex @code{get_dimension()}
2307 The methods
2308
2309 @example
2310 ex idx::get_value();
2311 ex idx::get_dimension();
2312 @end example
2313
2314 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2315 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2316 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2317 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2318
2319 There are also the methods
2320
2321 @example
2322 bool idx::is_numeric();
2323 bool idx::is_symbolic();
2324 bool idx::is_dim_numeric();
2325 bool idx::is_dim_symbolic();
2326 @end example
2327
2328 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2329 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2330 About Expressions}) returns information about the index value.
2331
2332 @cindex @code{varidx} (class)
2333 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2334
2335 @example
2336     ...
2337     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2338     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2339     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2340
2341     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2342      // -> A~mu~nu
2343     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2344      // -> A.mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     ...
2348 @end example
2349
2350 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2351 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2352 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2353 constructor. The two methods
2354
2355 @example
2356 bool varidx::is_covariant();
2357 bool varidx::is_contravariant();
2358 @end example
2359
2360 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2361 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2362 method
2363
2364 @example
2365 ex varidx::toggle_variance();
2366 @end example
2367
2368 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2369 variance. By using it you only have to define the index once.
2370
2371 @cindex @code{spinidx} (class)
2372 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2373 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2374
2375 @example
2376     ...
2377     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2378     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2379                                             // contravariant, undotted
2380     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2381     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2382     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2383
2384     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2385      // -> K~C~D
2386     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2387      // -> K.C~*D
2388     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2389      // -> K.*D~D
2390     ...
2391 @end example
2392
2393 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2394 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2395 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2396 methods
2397
2398 @example
2399 bool spinidx::is_dotted();
2400 bool spinidx::is_undotted();
2401 @end example
2402
2403 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2404 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2405 Finally, the two methods
2406
2407 @example
2408 ex spinidx::toggle_dot();
2409 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2410 @end example
2411
2412 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2413 and the same or opposite variance.
2414
2415 @subsection Substituting indices
2416
2417 @cindex @code{subs()}
2418 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2419 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2420 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2421 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2422
2423 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2424 by another index or expression:
2425
2426 @example
2427     ...
2428     ex e = indexed(A, mu_co);
2429     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2430      // -> A.mu becomes A~nu
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~0
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A.0
2435     ...
2436 @end example
2437
2438 The third example shows that trying to replace an index with something that
2439 is not an index will substitute the index value instead.
2440
2441 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2442 another expression:
2443
2444 @example
2445     ...
2446     ex e = indexed(A, mu_co);
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.nu
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.0
2451     ...
2452 @end example
2453
2454 As you see, with the second method only the value of the index will get
2455 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2456 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2457 whole index by another one with the new dimension.
2458
2459 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2460 expected:
2461
2462 @example
2463     ...
2464     ex e = indexed(A, mu_co);
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2466      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2467     ...
2468 @end example
2469
2470 @subsection Symmetries
2471 @cindex @code{symmetry} (class)
2472 @cindex @code{sy_none()}
2473 @cindex @code{sy_symm()}
2474 @cindex @code{sy_anti()}
2475 @cindex @code{sy_cycl()}
2476
2477 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2478 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2479 that is constructed with the helper functions
2480
2481 @example
2482 symmetry sy_none(...);
2483 symmetry sy_symm(...);
2484 symmetry sy_anti(...);
2485 symmetry sy_cycl(...);
2486 @end example
2487
2488 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2489 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2490 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2491 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2492 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2493 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2494 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2495 all indices.
2496
2497 Here are some examples of symmetry definitions:
2498
2499 @example
2500     ...
2501     // No symmetry:
2502     e = indexed(A, i, j);
2503     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2504     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2505
2506     // Symmetric in all three indices:
2507     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2508     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2509     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2510                                                // different canonical order
2511
2512     // Symmetric in the first two indices only:
2513     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2514     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2515
2516     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2517     // be contiguous):
2518     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2519     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2520
2521     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2522     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2523     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2524     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2525
2526     // Cyclic symmetry in all three indices:
2527     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // The following examples are invalid constructions that will throw
2531     // an exception at run time.
2532
2533     // An index may not appear multiple times:
2534     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2535     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2536
2537     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2538     // same number of indices:
2539     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2540
2541     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2542     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2543     ...
2544 @end example
2545
2546 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2547 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2548 full symmetry in the first six indices you would write
2549 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2550
2551 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2552 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2553
2554 @example
2555     ...
2556     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2557           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2558      // -> 2*A.j.i
2559     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2560           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2561      // -> 0
2562     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2563           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2564      // -> 0
2565     ...
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{get_free_indices()}
2569 @cindex dummy index
2570 @subsection Dummy indices
2571
2572 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2573 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2574 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2575 dummy nor free indices.
2576
2577 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2578 class and their value must be the same single symbol (an index like
2579 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2580 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2581 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2582
2583 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2584 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2585 of a sum are consistent:
2586
2587 @example
2588 @{
2589     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2590
2591     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2592     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2593
2594     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2595     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2596      // -> (.i,.k)
2597      // 'j' and 'l' are dummy indices
2598
2599     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2600     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2601
2602     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2603       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2604     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2605      // -> (~mu,~rho)
2606      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2607
2608     e = indexed(A, mu, mu);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (~mu)
2611      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2612      // variance
2613
2614     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2615     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2616      // this will throw an exception:
2617      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 @cindex @code{simplify_indexed()}
2622 @subsection Simplifying indexed expressions
2623
2624 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2625 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2626 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2627 there is the method
2628
2629 @example
2630 ex ex::simplify_indexed();
2631 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2632 @end example
2633
2634 that performs some more expensive operations:
2635
2636 @itemize
2637 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2638   @code{get_free_indices()} does
2639 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2640   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2641 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2642   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2643   next section)
2644 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2645   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2646 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2647   of two tensors with a user-defined value
2648 @end itemize
2649
2650 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2651 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2652 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2653
2654 @example
2655 @{
2656     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2657     idx i(i_sym, 3);
2658
2659     scalar_products sp;
2660     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2661     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2662     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2663
2664     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2665     cout << e << endl;
2666      // -> (B+A).i*(A+C).i
2667
2668     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2669          << endl;
2670      // -> 4+C.i*B.i
2671 @}
2672 @end example
2673
2674 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2675 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2676 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2677 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2678 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2679 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2680 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2681 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2682
2683 @cindex @code{expand()}
2684 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2685 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2686 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2687
2688 @cindex @code{tensor} (class)
2689 @subsection Predefined tensors
2690
2691 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2692 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2693 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2694 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2695 indices are specified).
2696
2697 @cindex @code{delta_tensor()}
2698 @subsubsection Delta tensor
2699
2700 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2701 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2702 @code{delta_tensor()}:
2703
2704 @example
2705 @{
2706     symbol A("A"), B("B");
2707
2708     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2709         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2710
2711     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2712          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2713     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2714      // -> B.i.j*A.i.j
2715
2716     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2717      // -> 3
2718 @}
2719 @end example
2720
2721 @cindex @code{metric_tensor()}
2722 @subsubsection General metric tensor
2723
2724 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2725 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2726 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2727 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2728
2729 @example
2730 @{
2731     symbol A("A");
2732
2733     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2734
2735     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2736     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2737      // -> A~mu~rho
2738
2739     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2740     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2741      // -> g~mu~rho
2742
2743     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2744       * metric_tensor(nu, rho);
2745     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2746      // -> delta.mu~rho
2747
2748     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2749       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2750         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2751     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2752      // -> 4+A.rho~rho
2753 @}
2754 @end example
2755
2756 @cindex @code{lorentz_g()}
2757 @subsubsection Minkowski metric tensor
2758
2759 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2760 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2761 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2762 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2763 @samp{eta}):
2764
2765 @example
2766 @{
2767     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2768
2769     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2770       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2771     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2772      // -> 1
2773
2774     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2775       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2776     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2777      // -> -1
2778 @}
2779 @end example
2780
2781 @cindex @code{spinor_metric()}
2782 @subsubsection Spinor metric tensor
2783
2784 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2785 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2786 It is output as @samp{eps}:
2787
2788 @example
2789 @{
2790     symbol psi("psi");
2791
2792     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2793     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2794
2795     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2796     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2797      // -> psi~A
2798
2799     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2800     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2801      // -> -psi~B
2802
2803     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2804     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2805      // -> -psi.A
2806
2807     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2808     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2809      // -> psi.B
2810
2811     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 2
2814
2815     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2816     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2817      // -> -delta.A~C
2818 @}
2819 @end example
2820
2821 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2822
2823 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2824 @cindex @code{lorentz_eps()}
2825 @subsubsection Epsilon tensor
2826
2827 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2828 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2829 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2830 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2831 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2832 @samp{eps}.
2833
2834 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2835 dimensions:
2836
2837 @example
2838 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2839 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2840 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2841                bool pos_sig = false);
2842 @end example
2843
2844 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2845 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2846 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2847 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2848 tensor):
2849
2850 @example
2851 @{
2852     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2853            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2854     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2855         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2856     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2857      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2858
2859     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2860     symbol A("A"), B("B");
2861     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2862     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2863      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2864     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2865     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2866      // -> 0
2867 @}
2868 @end example
2869
2870 @subsection Linear algebra
2871
2872 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2873 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2874 and scalar products):
2875
2876 @example
2877 @{
2878     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2879     symbol x("x"), y("y");
2880
2881     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2882     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2883     A = 1, 2,
2884         3, 4;
2885     X = x, y;
2886
2887     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2888      // -> 5
2889
2890     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2891     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2892      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2893
2894     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2895     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2896      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2897 @}
2898 @end example
2899
2900 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2901 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2902 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2903
2904 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2905 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2906 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2907 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2908
2909 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2910 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2911 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2912 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2913 of the metric tensor.
2914
2915
2916 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2917 @c    node-name, next, previous, up
2918 @section Non-commutative objects
2919
2920 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2921 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2922 physics:
2923
2924 @itemize
2925 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2926 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2927 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2928 @end itemize
2929
2930 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2931 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2932 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2933 @ref{Matrices}.
2934
2935 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2936 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2937 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2938 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2939 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2940 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2941 by their class. Consider this example:
2942
2943 @example
2944     ...
2945     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2946     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2947     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2948     cout << e << endl;
2949      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2950     ...
2951 @end example
2952
2953 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2954 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2955 together while preserving the order of factors within each class (because
2956 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2957 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2958 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2959 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2960
2961 @cindex @code{ncmul} (class)
2962 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2963 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2964 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2965 though.
2966
2967 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2968 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2969 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2970 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2971 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2972 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2973 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2974 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2975 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2976 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2977
2978 @cindex @code{return_type()}
2979 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2980 Information about the commutativity of an object or expression can be
2981 obtained with the two member functions
2982
2983 @example
2984 unsigned ex::return_type() const;
2985 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2986 @end example
2987
2988 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2989 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2990 expressions in GiNaC:
2991
2992 @itemize
2993 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2994   classes are of this kind.
2995 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2996   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2997   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2998   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2999   class.
3000 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3001   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3002   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3003   @code{noncommutative_composite} expressions.
3004 @end itemize
3005
3006 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3007 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3008 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3009 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3010
3011 Here are a couple of examples:
3012
3013 @cartouche
3014 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3015 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3016 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3017 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3018 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3019 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3020 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3021 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3022 @end multitable
3023 @end cartouche
3024
3025 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3026 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3027 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3028 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3029 for color objects.
3030
3031 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3032 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3033 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3034 non-commutative expressions).
3035
3036
3037 @cindex @code{clifford} (class)
3038 @subsection Clifford algebra
3039
3040
3041 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3042 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3043 mathematical). 
3044
3045 @cindex @code{dirac_gamma()}
3046 @subsubsection Dirac gamma matrices
3047 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3048 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3049 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3050 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3051 constructed by the function
3052
3053 @example
3054 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3055 @end example
3056
3057 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3058 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3059 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3060 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3061 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3062 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3063
3064 @cindex @code{dirac_ONE()}
3065 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3066
3067 @example
3068 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3069 @end example
3070
3071 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3072 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3073 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3074 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3075 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3076
3077 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3078 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3079 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3080 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3081
3082 @example
3083 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3084 @end example
3085
3086 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3087 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3088 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3089 objects, constructed by
3090
3091 @example
3092 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3093 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3094 @end example
3095
3096 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3097 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3098
3099 @cindex @code{dirac_slash()}
3100 Finally, the function
3101
3102 @example
3103 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3104 @end example
3105
3106 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3107 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3108 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3109 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3110
3111 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3112 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3113 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3114
3115 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3116 for example
3117
3118 @example
3119 @{
3120     ...
3121     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3122     varidx mu(symbol("mu"), D);
3123     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3124          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3125     cout << e << endl;
3126      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3127     e = e.simplify_indexed();
3128     cout << e << endl;
3129      // -> -D*a\+2*a\
3130     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3131      // -> -2*a\
3132     ...
3133 @}
3134 @end example
3135
3136 @cindex @code{dirac_trace()}
3137 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3138 you use one of the functions
3139
3140 @example
3141 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3142                const ex & trONE = 4);
3143 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3144 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3145 @end example
3146
3147 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3148 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3149 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3150 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3151 element, which defaults to 4.
3152
3153 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3154 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3155 functional is not cyclic in
3156 @tex $D \ne 4$
3157 @end tex
3158 dimensions when acting on
3159 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3160 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3161 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3162
3163 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3164 @tex $D \ne 4$
3165 @end tex
3166 dimensions:
3167
3168 @example
3169 @{
3170     // 4 dimensions
3171     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3172     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3173            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3174     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3175      // -> -8*eta~rho~nu
3176 @}
3177 ...
3178 @{
3179     // D dimensions
3180     symbol D("D");
3181     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3182     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3183            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3184     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3185      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3186 @}
3187 @end example
3188
3189 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3190 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3191 QED:
3192
3193 @example
3194 @{
3195     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3196     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3197
3198     scalar_products sp;
3199     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3200     sp.add(l, q, ldotq);
3201
3202     ex e = dirac_gamma(mu) *
3203            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3204            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3205            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3206     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3207     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3208     cout << e << endl;
3209      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3210 @}
3211 @end example
3212
3213 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3214 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3215 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3216
3217 @example
3218 @{
3219     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3220     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3221     cout << e << endl;
3222      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3223
3224     e = canonicalize_clifford(e);
3225     cout << e << endl;
3226      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3227 @}
3228 @end example
3229
3230 @cindex @code{clifford_unit()}
3231 @subsubsection A generic Clifford algebra
3232
3233 A generic Clifford algebra, i.e. a
3234 @tex
3235 $2^n$
3236 @end tex
3237 dimensional algebra with
3238 generators 
3239 @tex $e_k$
3240 @end tex 
3241 satisfying the identities 
3242 @tex
3243 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) $
3244 @end tex
3245 @ifnottex
3246 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j)
3247 @end ifnottex
3248 for some matrix (@code{metric})
3249 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric and containing symbolic
3250 entries. Such generators are created by the function
3251
3252 @example
3253     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);
3254 @end example
3255
3256 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3257 generators, @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3258 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3259 object, optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3260 Clifford algebras (which will commute with each other). Note that the call
3261 @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates something very close to
3262 @code{dirac_gamma(mu)}. The method @code{clifford::get_metric()} returns a
3263 metric defining this Clifford number.
3264
3265 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3266 the Clifford algebra units with a call like that
3267
3268 @example
3269     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3270 @end example
3271
3272 since this may yield some further automatic simplifications.
3273
3274 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3275 ways. For example 
3276
3277 @example
3278 @{
3279     ... 
3280     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3281     realsymbol s("s");
3282     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3283     ex e = clifford_unit(nu, M);
3284     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3285     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3286     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3287     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3288     ...
3289 @}
3290 @end example
3291
3292 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3293 @tex
3294 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3295 @end tex
3296 @ifnottex
3297 @code{pow(e0, 2) = 1},  @code{pow(e1, 2) = -1},   @code{pow(e2, 2) = 0} and   @code{pow(e3, 2) = s}. 
3298 @end ifnottex
3299
3300 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3301 A similar effect can be achieved from the function
3302
3303 @example
3304     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3305                        unsigned char rl = 0);
3306     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3307 @end example
3308
3309 which converts a list or vector 
3310 @tex
3311 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3312 @end tex
3313 @ifnottex
3314 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3315 @end ifnottex
3316 into the
3317 Clifford number 
3318 @tex
3319 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3320 @end tex
3321 @ifnottex
3322 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3323 @end ifnottex
3324 with @samp{e.k}
3325 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3326 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3327 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3328 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3329
3330 @example
3331 @{
3332     ...
3333     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3334     realsymbol s("s");
3335     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3336     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3337     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3338     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3339     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3340   ...
3341 @}
3342 @end example
3343
3344 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3345 There is the inverse function 
3346
3347 @example
3348     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3349 @end example
3350
3351 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3352 @tex
3353 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3354 @end tex
3355 @ifnottex
3356 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3357 @end ifnottex
3358 such that 
3359 @tex
3360 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3361 @end tex
3362 @ifnottex
3363 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3364 @end ifnottex
3365 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3366 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3367 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3368 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3369 @tex
3370 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3371 @end tex
3372 @ifnottex
3373 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3374 @end ifnottex
3375 is zero or is not a @code{numeric} for some @samp{k}
3376 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3377 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3378
3379 @cindex @code{clifford_prime()}
3380 @cindex @code{clifford_star()}
3381 @cindex @code{clifford_bar()}
3382 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3383
3384 @example
3385     ex clifford_prime(const ex & e)
3386     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3387     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3388 @end example
3389
3390 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3391 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3392 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3393 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3394 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3395 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3396 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3397 in a product. These functions correspond to the notations
3398 @math{e'},
3399 @tex
3400 $e^*$
3401 @end tex
3402 @ifnottex
3403 e*
3404 @end ifnottex
3405 and
3406 @tex
3407 $\overline{e}$
3408 @end tex
3409 @ifnottex
3410 @code{\bar@{e@}}
3411 @end ifnottex
3412 used in Clifford algebra textbooks.
3413
3414 @cindex @code{clifford_norm()}
3415 The function
3416
3417 @example
3418     ex clifford_norm(const ex & e);
3419 @end example
3420
3421 @cindex @code{clifford_inverse()}
3422 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3423 @tex
3424 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3425 @end tex
3426 @ifnottex
3427 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3428 @end ifnottex
3429  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3430
3431 @example
3432     ex clifford_inverse(const ex & e);
3433 @end example
3434
3435 which calculates it as 
3436 @tex
3437 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3438 @end tex
3439 @ifnottex
3440 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3441 @end ifnottex
3442  If
3443 @tex
3444 $||e|| = 0$
3445 @end tex
3446 @ifnottex
3447 @math{||e||=0}
3448 @end ifnottex
3449 then an exception is raised.
3450
3451 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3452 If a Clifford number happens to be a factor of
3453 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3454 expression by the function
3455
3456 @example
3457     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3458 @end example
3459
3460 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3461 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3462 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3463
3464 The last provided function is
3465
3466 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3467 @example
3468     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3469                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3470                             unsigned char rl = 0);
3471     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3472                             unsigned char rl = 0);
3473 @end example 
3474
3475 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3476 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3477 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3478 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be a
3479 matrix or a Clifford unit, in the later case the parameter @code{rl} is
3480 ignored even if supplied.  The returned value of this function is a list
3481 of components of the resulting vector.
3482
3483 LaTeX output for Clifford units looks like @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}},
3484 where @code{1} is the @code{representation_label} and @code{\nu} is the
3485 index of the corresponding unit. This provides a flexible typesetting
3486 with a suitable defintion of the @code{\clifford} command. For example, the
3487 definition 
3488 @example
3489     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3490 @end example
3491 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3492 @example
3493     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3494 @end example
3495 prints units with @code{representation_label=0} as 
3496 @tex
3497 $e$,
3498 @end tex
3499 @ifnottex
3500 @code{e},
3501 @end ifnottex
3502 with @code{representation_label=1} as 
3503 @tex
3504 $\tilde{e}$
3505 @end tex
3506 @ifnottex
3507 @code{\tilde@{e@}}
3508 @end ifnottex
3509  and with @code{representation_label=2} as 
3510 @tex
3511 $\breve{e}$.
3512 @end tex
3513 @ifnottex
3514 @code{\breve@{e@}}.
3515 @end ifnottex
3516
3517 @cindex @code{color} (class)
3518 @subsection Color algebra
3519
3520 @cindex @code{color_T()}
3521 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3522 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3523 elements @math{T_a} are constructed by the function
3524
3525 @example
3526 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3527 @end example
3528
3529 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3530 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3531 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3532 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3533 not @code{varidx}.
3534
3535 @cindex @code{color_ONE()}
3536 The unity element of a color algebra is constructed by
3537
3538 @example
3539 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3540 @end example
3541
3542 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3543 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3544 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3545 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3546 GiNaC may produce incorrect results.
3547
3548 @cindex @code{color_d()}
3549 @cindex @code{color_f()}
3550 The functions
3551
3552 @example
3553 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3554 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3555 @end example
3556
3557 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3558 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3559 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3560
3561 These functions evaluate to their numerical values,
3562 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3563 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3564 goes along better with the notations used in physical literature.
3565
3566 @cindex @code{color_h()}
3567 There's an additional function
3568
3569 @example
3570 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3571 @end example
3572
3573 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3574
3575 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3576 expressions containing color objects:
3577
3578 @example
3579 @{
3580     ...
3581     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3582         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3583
3584     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3585     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3586      // -> 0
3587
3588     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3589     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3590      // -> 5/3*delta.k.l
3591
3592     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3593     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3594      // -> 3*delta.k.l
3595
3596     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3597     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3598      // -> -32/3
3599
3600     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3601     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3602      // -> -2/3*T.a
3603
3604     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3605     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3606      // -> -8/9*ONE
3607
3608     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3609     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3610      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3611     ...
3612 @end example
3613
3614 @cindex @code{color_trace()}
3615 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3616 of the functions
3617
3618 @example
3619 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3620 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3621 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3622 @end example
3623
3624 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3625 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3626 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3627 example:
3628
3629 @example
3630     ...
3631     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3632     cout << e << endl;
3633      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3634 @}
3635 @end example
3636
3637
3638 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3639 @c    node-name, next, previous, up
3640 @section Hash Maps
3641 @cindex hash maps
3642 @cindex @code{exhashmap} (class)
3643
3644 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3645 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3646 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3647 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3648
3649 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3650 following differences:
3651
3652 @itemize @bullet
3653 @item
3654 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3655 @item
3656 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3657 @item 
3658 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3659 @item
3660 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3661 @code{ex_is_less}
3662 @item
3663 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3664 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3665 larger than the specified value)
3666 @item
3667 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3668 table
3669 @item 
3670 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3671 @end itemize
3672
3673
3674 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3675 @c    node-name, next, previous, up
3676 @chapter Methods and Functions
3677 @cindex polynomial
3678
3679 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3680 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3681 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3682 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3683 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3684 example:
3685
3686 @example
3687     ...
3688     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3689     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3690     ...
3691 @end example
3692
3693 @cindex @code{subs()}
3694 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3695 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3696 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3697 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3698 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3699 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3700 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3701 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3702 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3703 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3704 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3705 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3706 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3707 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3708 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3709 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3710 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3711 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3712 avoided.
3713
3714 @menu
3715 * Information About Expressions::
3716 * Numerical Evaluation::
3717 * Substituting Expressions::
3718 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3719 * Applying a Function on Subexpressions::
3720 * Visitors and Tree Traversal::
3721 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3722 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3723 * Symbolic Differentiation::
3724 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3725 * Symmetrization::
3726 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3727 * Multiple polylogarithms::
3728 * Complex Conjugation::
3729 * Solving Linear Systems of Equations::
3730 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3731 @end menu
3732
3733
3734 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3735 @c    node-name, next, previous, up
3736 @section Getting information about expressions
3737
3738 @subsection Checking expression types
3739 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3740 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3741 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3742 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3743 @cindex @code{info()}
3744 @cindex @code{return_type()}
3745 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3746
3747 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3748 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3749 GiNaC provides a couple of functions for this:
3750
3751 @example
3752 bool is_a<T>(const ex & e);
3753 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3754 bool ex::info(unsigned flag);
3755 unsigned ex::return_type() const;
3756 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3757 @end example
3758
3759 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3760 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3761 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3762 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3763
3764 @example
3765 @{
3766     @dots{}
3767     if (is_a<numeric>(e))
3768         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3769     @dots{}
3770 @}
3771 @end example
3772
3773 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3774 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3775 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3776 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3777
3778 @example
3779 @{
3780     symbol x("x");
3781     ex e1 = 42;
3782     ex e2 = 4*x - 3;
3783     is_a<numeric>(e1);  // true
3784     is_a<numeric>(e2);  // false
3785     is_a<add>(e1);      // false
3786     is_a<add>(e2);      // true
3787     is_a<mul>(e1);      // false
3788     is_a<mul>(e2);      // false
3789 @}
3790 @end example
3791
3792 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3793 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3794 class @samp{T}, not including parent classes.
3795
3796 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3797 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3798 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3799 table:
3800
3801 @cartouche
3802 @multitable @columnfractions .30 .70
3803 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3804 @item @code{numeric}
3805 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3806 @item @code{real}
3807 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3808 @item @code{rational}
3809 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3810 @item @code{integer}
3811 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3812 @item @code{crational}
3813 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3814 @item @code{cinteger}
3815 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3816 @item @code{positive}
3817 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3818 @item @code{negative}
3819 @tab @dots{}not complex and less than 0
3820 @item @code{nonnegative}
3821 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3822 @item @code{posint}
3823 @tab @dots{}an integer greater than 0
3824 @item @code{negint}
3825 @tab @dots{}an integer less than 0
3826 @item @code{nonnegint}
3827 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3828 @item @code{even}
3829 @tab @dots{}an even integer
3830 @item @code{odd}
3831 @tab @dots{}an odd integer
3832 @item @code{prime}
3833 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3834 @item @code{relation}
3835 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3836 @item @code{relation_equal}
3837 @tab @dots{}a @code{==} relation
3838 @item @code{relation_not_equal}
3839 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3840 @item @code{relation_less}
3841 @tab @dots{}a @code{<} relation
3842 @item @code{relation_less_or_equal}
3843 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3844 @item @code{relation_greater}
3845 @tab @dots{}a @code{>} relation
3846 @item @code{relation_greater_or_equal}
3847 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3848 @item @code{symbol}
3849 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3850 @item @code{list}
3851 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3852 @item @code{polynomial}
3853 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3854 @item @code{integer_polynomial}
3855 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3856 @item @code{cinteger_polynomial}
3857 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3858 @item @code{rational_polynomial}
3859 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3860 @item @code{crational_polynomial}
3861 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3862 @item @code{rational_function}
3863 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3864 @item @code{algebraic}
3865 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3866 @end multitable
3867 @end cartouche
3868
3869 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3870 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3871 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3872 for an explanation of these.
3873
3874
3875 @subsection Accessing subexpressions
3876 @cindex container
3877
3878 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3879 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3880 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3881 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3882
3883 @cindex @code{nops()}
3884 @cindex @code{op()}
3885 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3886 use the two methods
3887
3888 @example
3889 size_t ex::nops();
3890 ex ex::op(size_t i);
3891 @end example
3892
3893 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3894 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3895 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3896 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3897 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3898 @math{i>0} are the indices.
3899
3900 @cindex iterators
3901 @cindex @code{const_iterator}
3902 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3903 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3904
3905 @example
3906 const_iterator ex::begin();
3907 const_iterator ex::end();
3908 @end example
3909
3910 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3911 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3912 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3913 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3914
3915 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3916 given expression in three different ways:
3917
3918 @example
3919 @{
3920     ex e = ...
3921
3922     // with nops()/op()
3923     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3924         cout << e.op(i) << endl;
3925
3926     // with iterators
3927     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3928         cout << *i << endl;
3929
3930     // with iterators and STL copy()
3931     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3932 @}
3933 @end example
3934
3935 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3936 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3937 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3938 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3939 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3940 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3941 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3942 methods
3943
3944 @example
3945 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3946 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3947 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3948 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3949 @end example
3950
3951 The following example illustrates the differences between
3952 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3953 @code{const_postorder_iterator}:
3954
3955 @example
3956 @{
3957     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3958     ex e = lst(lst(A, B), C);
3959
3960     std::copy(e.begin(), e.end(),
3961               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3962     // @{A,B@}
3963     // C
3964
3965     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3966               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3967     // @{@{A,B@},C@}
3968     // @{A,B@}
3969     // A
3970     // B
3971     // C
3972
3973     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3974               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3975     // A
3976     // B
3977     // @{A,B@}
3978     // C
3979     // @{@{A,B@},C@}
3980 @}
3981 @end example
3982
3983 @cindex @code{relational} (class)
3984 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3985 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3986 methods
3987
3988 @example
3989 ex ex::lhs();
3990 ex ex::rhs();
3991 @end example
3992
3993
3994 @subsection Comparing expressions
3995 @cindex @code{is_equal()}
3996 @cindex @code{is_zero()}
3997
3998 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3999 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4000 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4001 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4002 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4003 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4004 @code{false}.
4005
4006 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4007 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4008 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4009
4010 There are also two methods
4011
4012 @example
4013 bool ex::is_equal(const ex & other);
4014 bool ex::is_zero();
4015 @end example
4016
4017 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4018 respectively.
4019
4020
4021 @subsection Ordering expressions
4022 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4023 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4024 @cindex @code{compare()}
4025
4026 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4027 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4028 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4029 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4030
4031 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4032 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4033 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4034 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4035 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4036 yield @code{true}.
4037
4038 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4039 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4040 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4041 predicates to the STL:
4042
4043 @example
4044 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4045 public:
4046     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4047 @};
4048
4049 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4050 public:
4051     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4052 @};
4053 @end example
4054
4055 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4056 have to use
4057
4058 @example
4059 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4060 @end example
4061
4062 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4063 bugs because the map operates improperly.
4064
4065 Other examples for the use of the functors:
4066
4067 @example
4068 std::vector<ex> v;
4069 // fill vector
4070 ...
4071
4072 // sort vector
4073 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4074
4075 // count the number of expressions equal to '1'
4076 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4077                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4078 @end example
4079
4080 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4081
4082 @example
4083 int ex::compare(const ex & other) const;
4084 @end example
4085
4086 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4087 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4088 after @code{other}.
4089
4090
4091 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4092 @c    node-name, next, previous, up
4093 @section Numerical Evaluation
4094 @cindex @code{evalf()}
4095
4096 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4097 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4098
4099 @example
4100 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4101 @end example
4102
4103 @cindex @code{Digits}
4104 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4105 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4106 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4107
4108 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4109 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4110
4111 @example
4112 @{
4113     // Approximate sin(x/Pi)
4114     symbol x("x");
4115     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4116
4117     // Evaluate numerically at x=0.1
4118     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4119
4120     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4121     if (is_a<numeric>(f)) @{
4122         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4123         cout << d << endl;
4124          // -> 0.0318256
4125     @} else
4126         // error
4127 @}
4128 @end example
4129
4130
4131 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4132 @c    node-name, next, previous, up
4133 @section Substituting expressions
4134 @cindex @code{subs()}
4135
4136 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4137 expressions via the @code{.subs()} method:
4138
4139 @example
4140 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4141 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4142 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4143 @end example
4144
4145 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4146 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4147
4148 @example
4149 @{
4150     symbol x("x"), y("y");
4151
4152     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4153     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4154      // -> 73
4155
4156     ex e2 = x*y + x;
4157     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4158      // -> -10
4159 @}
4160 @end example
4161
4162 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4163 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4164
4165 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4166 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4167 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4168 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4169 be substituted is large or unknown.
4170
4171 Using this form, the second example from above would look like this:
4172
4173 @example
4174 @{
4175     symbol x("x"), y("y");
4176     ex e2 = x*y + x;
4177
4178     exmap m;
4179     m[x] = -2;
4180     m[y] = 4;
4181     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4182 @}
4183 @end example
4184
4185 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4186 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4187 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4188
4189 @example
4190 @{
4191     symbol x("x"), y("y");
4192     ex e2 = x*y + x;
4193
4194     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4195 @}
4196 @end example
4197
4198 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4199 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4200 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4201 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4202 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4203 algebraic substitutions in products and powers.
4204 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4205 about patterns and algebraic substitutions.
4206
4207 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4208 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4209 following example:
4210
4211 @example
4212 @{
4213     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4214
4215     ex e1 = pow(x+y, 2);
4216     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4217      // -> 16
4218
4219     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4220     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4221      // -> cos(x)^2*sin(y)
4222
4223     ex e3 = x+y+z;
4224     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4225      // -> x+y+z
4226      // (and not 4+z as one might expect)
4227 @}
4228 @end example
4229
4230 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4231 next section.
4232
4233
4234 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4235 @c    node-name, next, previous, up
4236 @section Pattern matching and advanced substitutions
4237 @cindex @code{wildcard} (class)
4238 @cindex Pattern matching
4239
4240 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4241 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4242 substituting expressions in a more general way.
4243
4244 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4245 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4246 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4247 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4248 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4249 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4250 with the call
4251
4252 @example
4253 ex wild(unsigned label = 0);
4254 @end example
4255
4256 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4257 name.
4258
4259 Some examples for patterns:
4260
4261 @multitable @columnfractions .5 .5
4262 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4263 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4264 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4265 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4266 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4267 @end multitable
4268
4269 Notes:
4270
4271 @itemize
4272 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4273   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4274 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4275   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4276   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4277 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4278   possible to use them as placeholders for other properties like index
4279   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4280   etc.
4281 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4282   as part of noncommutative products.
4283 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4284   are also valid patterns.
4285 @end itemize
4286
4287 @subsection Matching expressions
4288 @cindex @code{match()}
4289 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4290 matches a given pattern. This is done by the function
4291
4292 @example
4293 bool ex::match(const ex & pattern);
4294 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4295 @end example
4296
4297 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4298 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4299 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4300 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4301 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4302 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4303 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4304 expressions by passing in the result of a previous match.
4305
4306 The matching algorithm works as follows:
4307
4308 @itemize
4309 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4310   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4311   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4312   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4313 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4314   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4315   etc.).
4316 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4317   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4318 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4319   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4320   of the pattern.
4321 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4322   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4323 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4324   match the corresponding subexpression of the pattern.
4325 @end itemize
4326
4327 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4328 account for their commutativity and associativity:
4329
4330 @itemize
4331 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4332   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4333   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4334   way.
4335 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4336   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4337   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4338   further matches.
4339 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4340   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4341   which case this wildcard matches the remaining terms.
4342 @end itemize
4343
4344 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4345 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4346 ambiguous results.
4347
4348 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4349 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4350 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4351
4352 @example
4353 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4354 @{@}
4355 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4356 FAIL
4357 > match((x+y)^a,$1^$2);
4358 @{$1==x+y,$2==a@}
4359 > match((x+y)^a,$1^$1);
4360 FAIL
4361 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4362 @{$1==x+y@}
4363 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4364 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4365 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4366 @{$1==a@}
4367 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4368 @{$1==c,$2==b@}
4369   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4370 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4371   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4372    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4373    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4374    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4375    fail.)
4376 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4377   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4378    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4379 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4380 FAIL
4381 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4382 @{$0==a+e+b+f+d@}
4383 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4384 @{$0==a+b+f+d@}
4385 > match(a+b,a+b+$0);
4386 @{$0==0@}
4387 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4388 FAIL
4389   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4390    even though a==a^1.)
4391 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4392 @{$0==x@}
4393 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4394 @{$0==x^2@}
4395 @end example
4396
4397 @subsection Matching parts of expressions
4398 @cindex @code{has()}
4399 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4400 member function
4401
4402 @example
4403 bool ex::has(const ex & pattern);
4404 @end example
4405
4406 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4407 by any of its subexpressions.
4408
4409 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4410 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4411
4412 @example
4413 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4414 1
4415 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4416 0
4417   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4418    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4419 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4420 1
4421   (But this is possible.)
4422 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4423 0
4424   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4425    which "x+y" is not a subexpression.)
4426 > has(x+1,x^$1);
4427 0
4428   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4429    "x^something".)
4430 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4431 1
4432 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4433 0
4434   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4435    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4436    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4437 @end example
4438
4439 @cindex @code{find()}
4440 The method
4441
4442 @example
4443 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4444 @end example
4445
4446 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4447 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4448 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4449 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4450 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4451
4452 @example
4453 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4454 @{x@}
4455 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4456 @{@}
4457 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4458 @{x^3,x^2@}
4459   (Note the absence of "x".)
4460 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4461 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4462 > find(%,sin($1));
4463 @{sin(y),sin(x)@}
4464 @end example
4465
4466 @subsection Substituting expressions
4467 @cindex @code{subs()}
4468 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4469 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4470 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4471 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4472 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4473
4474 Some examples:
4475
4476 @example
4477 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4478 b^3+a^3+(x+y)^3
4479 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4480 b^4+a^4+(x+y)^4
4481 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4482 (a+b+c)^2
4483 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4484 (x+c)^2
4485 > subs(a+2*b,a+b==x);
4486 a+2*b
4487 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4488 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4489 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4490 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4491 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4492 cos(1+cos(x))
4493 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4494 a+b
4495 @end example
4496
4497 The last example would be written in C++ in this way:
4498
4499 @example
4500 @{
4501     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4502     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4503     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4504     cout << e.expand() << endl;
4505      // -> a+b
4506 @}
4507 @end example
4508
4509 @subsection Algebraic substitutions
4510 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4511 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4512 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4513 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4514 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4515 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4516 powers.
4517
4518 An example clarifies it all (hopefully):
4519
4520 @example
4521 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4522                                         subs_options::algebraic) << endl;
4523 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4524
4525 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4526 // --> (c+b+a)^2
4527 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4528
4529 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4530                                                                       << endl;
4531 // --> (x+c)^2
4532 // As I said: addition is just the same.
4533
4534 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4535 // --> x^3*b*a^2+2*b
4536
4537 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4538                                                                        << endl;
4539 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4540
4541 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4542 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4543
4544 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4545                                 subs_options::algebraic) << endl;
4546 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4547 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4548 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4549
4550 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4551                                 subs_options::algebraic) << endl;
4552 // --> cos(1+cos(x))
4553
4554 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4555         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4556                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4557 // --> b+a
4558 @end example
4559
4560
4561 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4562 @c    node-name, next, previous, up
4563 @section Applying a Function on Subexpressions
4564 @cindex tree traversal
4565 @cindex @code{map()}
4566
4567 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4568 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4569 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4570 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4571 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4572 to do this manually which usually results in code like this:
4573
4574 @example
4575 ex calc_trace(ex e)
4576 @{
4577     if (is_a<matrix>(e))
4578         return ex_to<matrix>(e).trace();
4579     else if (is_a<add>(e)) @{
4580         ex sum = 0;
4581         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4582             sum += calc_trace(e.op(i));
4583         return sum;
4584     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4585         ...
4586     @} else @{
4587         ...
4588     @}
4589 @}
4590 @end example
4591
4592 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4593 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4594 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4595 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4596 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4597
4598 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4599 operations:
4600
4601 @example
4602 ex ex::map(map_function & f) const;
4603 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4604 @end example
4605
4606 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4607 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4608 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4609 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4610 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4611 non-recursively.
4612
4613 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4614 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4615 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4616 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4617 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4618
4619 @example
4620 struct calc_trace : public map_function @{
4621     ex operator()(const ex &e)
4622     @{
4623         if (is_a<matrix>(e))
4624             return ex_to<matrix>(e).trace();
4625         else if (is_a<mul>(e)) @{
4626             ...
4627         @} else
4628             return e.map(*this);
4629     @}
4630 @};
4631 @end example
4632
4633 This function object could then be used like this:
4634
4635 @example
4636 @{
4637     ex M = ... // expression with matrices
4638     calc_trace do_trace;
4639     ex tr = do_trace(M);
4640 @}
4641 @end example
4642
4643 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4644 terms in a variable from an expanded polynomial:
4645
4646 @example
4647 struct map_rem_quad : public map_function @{
4648     ex var;
4649     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4650
4651     ex operator()(const ex & e)
4652     @{
4653         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4654             return e.map(*this);
4655         else if (is_a<power>(e) && 
4656                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4657             return 0;
4658         else
4659             return e;
4660     @}
4661 @};
4662
4663 ...
4664
4665 @{
4666     symbol x("x"), y("y");
4667
4668     ex e;
4669     for (int i=0; i<8; i++)
4670         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4671     cout << e << endl;
4672      // -> 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
4673
4674     map_rem_quad rem_quad(x);
4675     cout << rem_quad(e) << endl;
4676      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4677 @}
4678 @end example
4679
4680 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4681 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4682 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4683 acts as the placeholder for the operands:
4684
4685 @example
4686 > map(a*b,sin($0));
4687 sin(a)*sin(b)
4688 > map(a+2*b,sin($0));
4689 sin(a)+sin(2*b)
4690 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4691 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4692 @end example
4693
4694 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4695 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4696 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4697
4698 @example
4699 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4700 @{0,0,0@}
4701   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4702   to "map(@{a,b,c@},0)".
4703 @end example
4704
4705
4706 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4707 @c    node-name, next, previous, up
4708 @section Visitors and Tree Traversal
4709 @cindex tree traversal
4710 @cindex @code{visitor} (class)
4711 @cindex @code{accept()}
4712 @cindex @code{visit()}
4713 @cindex @code{traverse()}
4714 @cindex @code{traverse_preorder()}
4715 @cindex @code{traverse_postorder()}
4716
4717 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4718 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4719 indices with variance you always want the covariant version returned.
4720
4721 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4722 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4723 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4724 with variance, one for plain ones).
4725
4726 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4727 such as the following:
4728
4729 @example
4730 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4731 @{
4732     if (is_a<varidx>(e)) @{
4733         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4734         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4735     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4736         l.append(e);
4737     @} else @{
4738         size_t n = e.nops();
4739         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4740             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4741     @}
4742 @}
4743
4744 lst gather_indices(const ex & e)
4745 @{
4746     lst l;
4747     gather_indices_helper(e, l);
4748     l.sort();
4749     l.unique();
4750     return l;
4751 @}
4752 @end example
4753
4754 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4755 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4756 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4757
4758 @example
4759     if (is_a<idx>(e)) @{
4760       ...
4761     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4762       ...
4763 @end example
4764
4765 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4766 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4767 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4768 executed.
4769
4770 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4771 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4772 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4773 write a function that required a different implementation for nearly
4774 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4775
4776 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4777 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4778 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4779 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4780 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4781 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4782 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4783 presented this would be impractical.
4784
4785 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4786 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4787 variation, described in detail in
4788 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4789 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4790 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4791 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4792 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4793 object that @code{accept()} was being invoked on.
4794
4795 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4796 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4797 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4798 each class.
4799
4800 A call of
4801
4802 @example
4803 void ex::accept(visitor & v) const;
4804 @end example
4805
4806 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4807 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4808 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4809
4810 Here is an example of a visitor:
4811
4812 @example
4813 class my_visitor
4814  : public visitor,          // this is required
4815    public add::visitor,     // visit add objects
4816    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4817    public basic::visitor    // visit basic objects
4818 @{
4819     void visit(const add & x)
4820     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4821
4822     void visit(const numeric & x)
4823     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4824
4825     void visit(const basic & x)
4826     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4827 @};
4828 @end example
4829
4830 which can be used as follows:
4831
4832 @example
4833 ...
4834     symbol x("x");
4835     ex e1 = 42;
4836     ex e2 = 4*x-3;
4837     ex e3 = 8*x;
4838
4839     my_visitor v;
4840     e1.accept(v);
4841      // prints "called with a numeric object"
4842     e2.accept(v);
4843      // prints "called with an add object"
4844     e3.accept(v);
4845      // prints "called with a basic object"
4846 ...
4847 @end example
4848
4849 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4850 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4851
4852 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4853 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4854 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4855 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4856 hierarchies of visitors.
4857
4858 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4859
4860 @example
4861 class gather_indices_visitor
4862  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4863 @{
4864     lst l;
4865
4866     void visit(const idx & i)
4867     @{
4868         l.append(i);
4869     @}
4870
4871     void visit(const varidx & vi)
4872     @{
4873         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4874     @}
4875
4876 public:
4877     const lst & get_result() // utility function
4878     @{
4879         l.sort();
4880         l.unique();
4881         return l;
4882     @}
4883 @};
4884 @end example
4885
4886 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4887 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4888
4889 @example
4890 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4891 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4892 void ex::traverse(visitor & v) const;
4893 @end example
4894
4895 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4896 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4897 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4898 @code{traverse_preorder()}.
4899
4900 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4901 and @code{traverse()}:
4902
4903 @example
4904 lst gather_indices(const ex & e)
4905 @{
4906     gather_indices_visitor v;
4907     e.traverse(v);
4908     return v.get_result();
4909 @}
4910 @end example
4911
4912 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4913 traversal:
4914
4915 @example
4916 lst gather_indices(const ex & e)
4917 @{
4918     gather_indices_visitor v;
4919     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4920          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4921         i->accept(v);
4922     @}
4923     return v.get_result();
4924 @}
4925 @end example
4926
4927
4928 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4929 @c    node-name, next, previous, up
4930 @section Polynomial arithmetic
4931
4932 @subsection Expanding and collecting
4933 @cindex @code{expand()}
4934 @cindex @code{collect()}
4935 @cindex @code{collect_common_factors()}
4936
4937 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4938 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4939 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4940 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4941 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4942 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4943 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4944 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4945 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4946 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4947 x*z}.
4948
4949 To bring an expression into expanded form, its method
4950
4951 @example
4952 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4953 @end example
4954
4955 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4956 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4957 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4958 orderings of terms in such sums!
4959
4960 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4961 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4962 being polynomials in the remaining variables.  The method
4963 @code{collect()} accomplishes this task:
4964
4965 @example
4966 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4967 @end example
4968
4969 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4970 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4971 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4972 by the @code{distributed} flag.
4973
4974 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4975 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4976 coefficients properly.
4977
4978 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4979 together with @code{find()}:
4980
4981 @example
4982 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4983 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)
4984 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4985 > collect(a,@{p,q@});
4986 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
4987 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4988 > collect(a,find(a,sin($1)));
4989 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4990 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4991 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4992 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4993 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4994 @end example
4995
4996 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4997 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4998
4999 @example
5000 ex collect_common_factors(const ex & e);
5001 @end example
5002
5003 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5004 factors which are already explicitly present:
5005
5006 @example
5007 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5008 (x+y)*a
5009 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5010 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5011 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5012 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5013 @end example
5014
5015 @subsection Degree and coefficients
5016 @cindex @code{degree()}
5017 @cindex @code{ldegree()}
5018 @cindex @code{coeff()}
5019
5020 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5021 methods
5022
5023 @example
5024 int ex::degree(const ex & s);
5025 int ex::ldegree(const ex & s);
5026 @end example
5027
5028 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5029 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5030 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5031 an expanded polynomial you use
5032
5033 @example
5034 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5035 @end example
5036
5037 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5038
5039 @example
5040 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5041 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5042 @end example
5043
5044 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5045 respectively.
5046
5047 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5048 polynomial is analyzed:
5049
5050 @example
5051 @{
5052     symbol x("x"), y("y");
5053     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5054                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5055     ex Poly = PolyInp.expand();
5056     
5057     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5058         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5059              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5060     @}
5061     cout << "As polynomial in y: " 
5062          << Poly.collect(y) << endl;
5063 @}
5064 @end example
5065
5066 When run, it returns an output in the following fashion:
5067
5068 @example
5069 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5070 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5071 The x^2-coefficient is -1
5072 The x^3-coefficient is 4*y
5073 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5074 @end example
5075
5076 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5077 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5078 within the user's sphere of influence.
5079
5080 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5081 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5082 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5083 constants, functions and indexed objects as well:
5084
5085 @example
5086 @{
5087     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5088     idx i(symbol("i"), 3);
5089
5090     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5091     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5092      // -> 4
5093     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5094      // -> -4*cos(x)
5095
5096     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5097     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5098     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5099      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5100 @}
5101 @end example
5102
5103
5104 @subsection Polynomial division
5105 @cindex polynomial division
5106 @cindex quotient
5107 @cindex remainder
5108 @cindex pseudo-remainder
5109 @cindex @code{quo()}
5110 @cindex @code{rem()}
5111 @cindex @code{prem()}
5112 @cindex @code{divide()}
5113
5114 The two functions
5115
5116 @example
5117 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5118 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5119 @end example
5120
5121 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5122 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5123
5124 The additional function
5125
5126 @example
5127 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5128 @end example
5129
5130 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5131 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5132
5133 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5134
5135 @example
5136 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5137 @end example
5138
5139 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5140 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5141 in which case the value of @code{q} is undefined.
5142
5143
5144 @subsection Unit, content and primitive part
5145 @cindex @code{unit()}
5146 @cindex @code{content()}
5147 @cindex @code{primpart()}
5148 @cindex @code{unitcontprim()}
5149
5150 The methods
5151
5152 @example
5153 ex ex::unit(const ex & x);
5154 ex ex::content(const ex & x);
5155 ex ex::primpart(const ex & x);
5156 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5157 @end example
5158
5159 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5160 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5161 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5162 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5163 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5164 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5165 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5166 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5167
5168 Additionally, the method
5169
5170 @example
5171 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5172 @end example
5173
5174 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5175 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5176
5177
5178 @subsection GCD, LCM and resultant
5179 @cindex GCD
5180 @cindex LCM
5181 @cindex @code{gcd()}
5182 @cindex @code{lcm()}
5183
5184 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5185 multiple have the synopsis
5186
5187 @example
5188 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5189 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5190 @end example
5191
5192 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5193 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5194 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5195 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5196 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5197 the coefficients must be rationals.
5198
5199 @example
5200 #include <ginac/ginac.h>
5201 using namespace GiNaC;
5202
5203 int main()
5204 @{
5205     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5206     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5207     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5208
5209     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5210     // x + 5*y + 4*z
5211     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5212     // 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
5213 @}
5214 @end example
5215
5216 @cindex resultant
5217 @cindex @code{resultant()}
5218
5219 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5220 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5221 expressions. The function has the interface
5222
5223 @example
5224 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5225 @end example
5226
5227 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5228 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5229 @code{y}, respectively:
5230
5231 @example
5232 #include <ginac/ginac.h>
5233 using namespace GiNaC;
5234
5235 int main()
5236 @{
5237     symbol x("x"), y("y");
5238
5239     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5240     ex r;
5241     
5242     r = resultant(e1, e2, x); 
5243     // -> 1+2*y^6
5244     r = resultant(e1, e2, y); 
5245     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5246 @}
5247 @end example
5248
5249 @subsection Square-free decomposition
5250 @cindex square-free decomposition
5251 @cindex factorization
5252 @cindex @code{sqrfree()}
5253
5254 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5255 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5256 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5257 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5258 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5259 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5260 one, too:
5261 @example
5262 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5263 @end example
5264 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5265 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5266 some care with subsequent processing of the result:
5267 @example
5268     ...
5269     symbol x("x"), y("y");
5270     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5271
5272     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5273      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5274
5275     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5276      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5277
5278     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5279      // -> depending on luck, any of the above
5280     ...
5281 @end example
5282 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5283 with this method.
5284
5285
5286 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5287 @c    node-name, next, previous, up
5288 @section Rational expressions
5289
5290 @subsection The @code{normal} method
5291 @cindex @code{normal()}
5292 @cindex simplification
5293 @cindex temporary replacement
5294
5295 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5296 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5297 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5298 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5299 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5300 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5301
5302 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5303 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5304 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5305 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5306 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5307 @code{.to_rational()}, described below.
5308
5309 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5310 simplified in this little code snippet:
5311
5312 @example
5313 @{
5314     symbol x("x");
5315     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5316     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5317     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5318     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5319 @}
5320 @end example
5321
5322 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5323 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5324 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5325
5326
5327 @subsection Numerator and denominator
5328 @cindex numerator
5329 @cindex denominator
5330 @cindex @code{numer()}
5331 @cindex @code{denom()}
5332 @cindex @code{numer_denom()}
5333
5334 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5335
5336 @example
5337 ex ex::numer();
5338 ex ex::denom();
5339 ex ex::numer_denom();
5340 @end example
5341
5342 These functions will first normalize the expression as described above and
5343 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5344 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5345 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5346
5347
5348 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5349 @cindex @code{to_polynomial()}
5350 @cindex @code{to_rational()}
5351
5352 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5353 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5354 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5355 above. You do this by calling
5356
5357 @example
5358 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5359 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5360 @end example
5361 or
5362 @example
5363 ex ex::to_rational(exmap & m);
5364 ex ex::to_rational(lst & l);
5365 @end example
5366
5367 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5368 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5369 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5370 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5371 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5372 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5373
5374 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5375 is probably best illustrated with an example:
5376
5377 @example
5378 @{
5379     symbol x("x"), y("y");
5380     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5381     cout << a << endl;
5382
5383     lst lp;
5384     ex p = a.to_polynomial(lp);
5385     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5386      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5387      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5388
5389     lst lr;
5390     ex r = a.to_rational(lr);
5391     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5392      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5393      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5394 @}
5395 @end example
5396
5397 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5398
5399 @example
5400 @{
5401     symbol x("x");
5402     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5403     ex b = sin(x) + cos(x);
5404     ex q;
5405     exmap m;
5406     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5407     cout << q.subs(m) << endl;
5408 @}
5409 @end example
5410
5411
5412 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5413 @c    node-name, next, previous, up
5414 @section Symbolic differentiation
5415 @cindex differentiation
5416 @cindex @code{diff()}
5417 @cindex chain rule
5418 @cindex product rule
5419
5420 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5421 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5422 the derivatives of all the monomials:
5423
5424 @example
5425 @{
5426     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5427     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5428
5429     cout << P.diff(x,2) << endl;
5430      // -> 20*x^3 + 2
5431     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5432      // -> 1
5433     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5434      // -> 0
5435 @}
5436 @end example
5437
5438 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5439 returns the @var{n}th derivative.
5440
5441 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5442 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5443 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5444 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5445 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5446 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5447 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5448 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5449 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5450 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5451 lines:
5452
5453 @cindex Euler numbers
5454 @example
5455 #include <ginac/ginac.h>
5456 using namespace GiNaC;
5457
5458 ex EulerNumber(unsigned n)
5459 @{
5460     symbol x;
5461     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5462     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5463 @}
5464
5465 int main()
5466 @{
5467     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5468         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5469     return 0;
5470 @}
5471 @end example
5472
5473 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5474 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5475 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5476
5477
5478 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5479 @c    node-name, next, previous, up
5480 @section Series expansion
5481 @cindex @code{series()}
5482 @cindex Taylor expansion
5483 @cindex Laurent expansion
5484 @cindex @code{pseries} (class)
5485 @cindex @code{Order()}
5486
5487 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5488 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5489 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5490 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5491 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5492 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5493 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5494 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5495 term).  A sample application from special relativity could read:
5496
5497 @example
5498 #include <ginac/ginac.h>
5499 using namespace std;
5500 using namespace GiNaC;
5501
5502 int main()
5503 @{
5504     symbol v("v"), c("c");
5505     
5506     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5507     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5508     
5509     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5510          << mass_nonrel << endl;
5511     
5512     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5513          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5514 @}
5515 @end example
5516
5517 Only calling the series method makes the last output simplify to
5518 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5519 series raised to the power @math{-2}.
5520
5521 @cindex Machin's formula
5522 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5523 value of Archimedes' constant
5524 @tex
5525 $\pi$
5526 @end tex
5527 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5528 using John Machin's amazing formula
5529 @tex
5530 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5531 @end tex
5532 @ifnottex
5533 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5534 @end ifnottex
5535 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5536 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5537 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5538 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5539 order term with it and the question arises what the system is supposed
5540 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5541 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5542 term off:
5543
5544 @example
5545 #include <ginac/ginac.h>
5546 using namespace GiNaC;
5547
5548 ex machin_pi(int degr)
5549 @{
5550     symbol x;
5551     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5552     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5553                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5554     return pi_approx;
5555 @}
5556
5557 int main()
5558 @{
5559     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5560     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5561     ex pi_frac;
5562     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5563         pi_frac = machin_pi(i);
5564         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5565              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5566     @}
5567     return 0;
5568 @}
5569 @end example
5570
5571 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5572 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5573 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5574 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5575 program, it will type out:
5576
5577 @example
5578 2:      3804/1195
5579         3.1832635983263598326
5580 4:      5359397032/1706489875
5581         3.1405970293260603143
5582 6:      38279241713339684/12184551018734375
5583         3.141621029325034425
5584 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5585         3.141591772182177295
5586 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5587         3.1415926824043995174
5588 @end example
5589
5590
5591 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5592 @c    node-name, next, previous, up
5593 @section Symmetrization
5594 @cindex @code{symmetrize()}
5595 @cindex @code{antisymmetrize()}
5596 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5597
5598 The three methods
5599
5600 @example
5601 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5602 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5603 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5604 @end example
5605
5606 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5607 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5608 weighted by the number of permutations.
5609
5610 The three additional methods
5611
5612 @example
5613 ex ex::symmetrize();
5614 ex ex::antisymmetrize();
5615 ex ex::symmetrize_cyclic();
5616 @end example
5617
5618 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5619
5620 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5621 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5622
5623 @example
5624 @{
5625     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5626     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5627                                            
5628     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5629      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5630     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5631      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5632     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5633      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5634 @}
5635 @end example
5636
5637 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5638 @c    node-name, next, previous, up
5639 @section Predefined mathematical functions
5640 @c
5641 @subsection Overview
5642
5643 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5644
5645 @cartouche
5646 @multitable @columnfractions .30 .70
5647 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5648 @item @code{abs(x)}
5649 @tab absolute value
5650 @cindex @code{abs()}
5651 @item @code{csgn(x)}
5652 @tab complex sign
5653 @cindex @code{conjugate()}
5654 @item @code{conjugate(x)}
5655 @tab complex conjugation
5656 @cindex @code{csgn()}
5657 @item @code{sqrt(x)}
5658 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5659 @cindex @code{sqrt()}
5660 @item @code{sin(x)}
5661 @tab sine
5662 @cindex @code{sin()}
5663 @item @code{cos(x)}
5664 @tab cosine
5665 @cindex @code{cos()}
5666 @item @code{tan(x)}
5667 @tab tangent
5668 @cindex @code{tan()}
5669 @item @code{asin(x)}
5670 @tab inverse sine
5671 @cindex @code{asin()}
5672 @item @code{acos(x)}
5673 @tab inverse cosine
5674 @cindex @code{acos()}
5675 @item @code{atan(x)}
5676 @tab inverse tangent
5677 @cindex @code{atan()}
5678 @item @code{atan2(y, x)}
5679 @tab inverse tangent with two arguments
5680 @item @code{sinh(x)}
5681 @tab hyperbolic sine
5682 @cindex @code{sinh()}
5683 @item @code{cosh(x)}
5684 @tab hyperbolic cosine
5685 @cindex @code{cosh()}
5686 @item @code{tanh(x)}
5687 @tab hyperbolic tangent
5688 @cindex @code{tanh()}
5689 @item @code{asinh(x)}
5690 @tab inverse hyperbolic sine
5691 @cindex @code{asinh()}
5692 @item @code{acosh(x)}
5693 @tab inverse hyperbolic cosine
5694 @cindex @code{acosh()}
5695 @item @code{atanh(x)}
5696 @tab inverse hyperbolic tangent
5697 @cindex @code{atanh()}
5698 @item @code{exp(x)}
5699 @tab exponential function
5700 @cindex @code{exp()}
5701 @item @code{log(x)}
5702 @tab natural logarithm
5703 @cindex @code{log()}
5704 @item @code{Li2(x)}
5705 @tab dilogarithm
5706 @cindex @code{Li2()}
5707 @item @code{Li(m, x)}
5708 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5709 @cindex @code{Li()}
5710 @item @code{G(a, y)}
5711 @tab multiple polylogarithm
5712 @cindex @code{G()}
5713 @item @code{G(a, s, y)}
5714 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5715 @cindex @code{G()}
5716 @item @code{S(n, p, x)}
5717 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5718 @cindex @code{S()}
5719 @item @code{H(m, x)}
5720 @tab harmonic polylogarithm
5721 @cindex @code{H()}
5722 @item @code{zeta(m)}
5723 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5724 @cindex @code{zeta()}
5725 @item @code{zeta(m, s)}
5726 @tab alternating Euler sum
5727 @cindex @code{zeta()}
5728 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5729 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5730 @item @code{tgamma(x)}
5731 @tab gamma function
5732 @cindex @code{tgamma()}
5733 @cindex gamma function
5734 @item @code{lgamma(x)}
5735 @tab logarithm of gamma function
5736 @cindex @code{lgamma()}
5737 @item @code{beta(x, y)}
5738 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5739 @cindex @code{beta()}
5740 @item @code{psi(x)}
5741 @tab psi (digamma) function
5742 @cindex @code{psi()}
5743 @item @code{psi(n, x)}
5744 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5745 @item @code{factorial(n)}
5746 @tab factorial function @math{n!}
5747 @cindex @code{factorial()}
5748 @item @code{binomial(n, k)}
5749 @tab binomial coefficients
5750 @cindex @code{binomial()}
5751 @item @code{Order(x)}
5752 @tab order term function in truncated power series
5753 @cindex @code{Order()}
5754 @end multitable
5755 @end cartouche
5756
5757 @cindex branch cut
5758 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5759 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5760 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5761 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5762 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5763 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5764 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5765 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5766 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5767 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5768 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5769 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5770 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5771 compatible with C99.
5772
5773 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5774 @c    node-name, next, previous, up
5775 @subsection Multiple polylogarithms
5776
5777 @cindex polylogarithm
5778 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5779 @cindex harmonic polylogarithm
5780 @cindex multiple zeta value
5781 @cindex alternating Euler sum
5782 @cindex multiple polylogarithm
5783
5784 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5785 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5786 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5787 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5788 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5789 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5790 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5791 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5792 notations are more natural to the series representation or the integral
5793 representation, respectively.
5794
5795 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5796 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5797 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5798
5799 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5800 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5801 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5802 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5803 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5804 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5805 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5806 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5807 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5808 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5809 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5810
5811 The functions print in LaTeX format as
5812 @tex
5813 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5814 @end tex
5815 @tex
5816 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5817 @end tex
5818 @tex
5819 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5820 @end tex
5821 @tex
5822 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5823 @end tex
5824 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5825 are printed with a line above, e.g.
5826 @tex
5827 $\zeta(5,\overline{2})$.
5828 @end tex
5829 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5830
5831 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5832 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5833 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5834 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5835
5836 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5837 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5838 the series representation. This means
5839 @tex
5840 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5841 @end tex
5842 @tex
5843 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5844 @end tex
5845 @tex
5846 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5847 @end tex
5848 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5849 is reversed.
5850
5851 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5852 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5853 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5854 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5855 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5856 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5857 @tex
5858 $\zeta(\overline{3},4)$
5859 @end tex
5860 and
5861 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5862 @tex
5863 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5864 @end tex
5865 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5866 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5867 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5868 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5869 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5870 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5871 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5872
5873 @example
5874 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5875 S(2,2,x)
5876 > H(@{-3,2@},1);
5877 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5878 > S(3,1,1);
5879 1/90*Pi^4
5880 @end example
5881
5882 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5883 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5884 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5885 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5886 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5887 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5888
5889 @example
5890 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5891 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5892 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5893 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5894 @end example
5895
5896 Every function can be numerically evaluated for
5897 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5898 global variable @code{Digits}:
5899
5900 @example
5901 > Digits=100;
5902 100
5903 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5904 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5905 @end example
5906
5907 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5908 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5909
5910 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5911 unevaluated, e.g.
5912 @tex
5913 $\zeta(1)$.
5914 @end tex
5915 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5916 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5917 cancellations of divergencies happen.
5918
5919 Useful publications:
5920
5921 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5922 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5923
5924 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5925 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5926
5927 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5928 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5929
5930 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
5931 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
5932
5933 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5934 @c    node-name, next, previous, up
5935 @section Complex Conjugation
5936 @c
5937 @cindex @code{conjugate()}
5938
5939 The method
5940
5941 @example
5942 ex ex::conjugate();
5943 @end example
5944
5945 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5946 conjugation gives the expected results:
5947
5948 @example
5949 @{
5950     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5951     symbol x("x");
5952     realsymbol y("y");
5953                                            
5954     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5955      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5956     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5957      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5958 @}
5959 @end example
5960
5961 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5962 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5963 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5964 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5965 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5966
5967 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5968 @c    node-name, next, previous, up
5969 @section Solving Linear Systems of Equations
5970 @cindex @code{lsolve()}
5971
5972 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5973 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5974 needs to be solved:
5975
5976 @example
5977 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
5978           unsigned options = solve_algo::automatic);
5979 @end example
5980
5981 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5982 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5983 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5984 @code{lst}).
5985
5986 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5987 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5988
5989 @example
5990 @{
5991     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5992     lst eqns, vars;
5993     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5994     vars = x, y;
5995     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5996      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5997 @end example
5998
5999 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6000 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6001 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6002 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6003 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6004 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6005 around that method.
6006
6007
6008 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6009 @c    node-name, next, previous, up
6010 @section Input and output of expressions
6011 @cindex I/O
6012
6013 @subsection Expression output
6014 @cindex printing
6015 @cindex output of expressions
6016
6017 Expressions can simply be written to any stream:
6018
6019 @example
6020 @{
6021     symbol x("x");
6022     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6023     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6024     // ...
6025 @end example
6026
6027 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6028 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6029 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6030 is printed as @samp{x^2}).
6031
6032 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6033 a set of stream manipulators;
6034
6035 @example
6036 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6037 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6038 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6039 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6040 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6041 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6042 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6043 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6044 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6045 @end example
6046
6047 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6048 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6049 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6050
6051 @cindex @code{dflt}
6052 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6053 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6054
6055 @example
6056     // ...
6057     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6058                               // now on
6059     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6060     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6061     cout << dflt;             // revert to default output format
6062     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6063     // ...
6064 @end example
6065
6066 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6067 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6068
6069 @example
6070     // ...
6071     ostringstream s;
6072     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6073     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6074     // ...
6075 @end example
6076
6077 @cindex @code{csrc}
6078 @cindex @code{csrc_float}
6079 @cindex @code{csrc_double}
6080 @cindex @code{csrc_cl_N}
6081 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6082 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6083 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6084 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6085 classes provided by the CLN library):
6086
6087 @example
6088     // ...
6089     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6090     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6091     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6092     // ...
6093 @end example
6094
6095 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6096 @code{x*x}):
6097
6098 @example
6099 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6100 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6101 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6102 @end example
6103
6104 @cindex @code{tree}
6105 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6106 expression for debugging purposes:
6107
6108 @example
6109     // ...
6110     cout << tree << e;
6111 @}
6112 @end example
6113
6114 produces
6115
6116 @example
6117 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6118     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6119         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6120         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6121     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6122     -----
6123     overall_coeff
6124     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6125     =====
6126 @end example
6127
6128 @cindex @code{latex}
6129 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6130 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6131 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6132 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6133 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6134 constructor.
6135
6136 For example, the code snippet
6137
6138 @example
6139 @{
6140     symbol x("x", "\\circ");
6141     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6142     cout << latex << e << endl;
6143 @}
6144 @end example
6145
6146 will print
6147
6148 @example
6149     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6150     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6151 @end example
6152
6153 @cindex @code{index_dimensions}
6154 @cindex @code{no_index_dimensions}
6155 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6156 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6157 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6158 formats:
6159
6160 @example
6161 @{
6162     symbol x("x"), y("y");
6163     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6164     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6165
6166     cout << e << endl;
6167      // prints 'x~mu*y~nu'
6168     cout << index_dimensions << e << endl;
6169      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6170     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6171      // prints 'x~mu*y~nu'
6172 @}
6173 @end example
6174
6175
6176 @cindex Tree traversal
6177 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6178 with other algebra systems or for producing code for different
6179 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6180
6181 @example
6182 static void my_print(const ex & e)
6183 @{
6184     if (is_a<function>(e))
6185         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6186     else
6187         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6188     cout << "(";
6189     size_t n = e.nops();
6190     if (n)
6191         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6192             my_print(e.op(i));
6193             if (i != n-1)
6194                 cout << ",";
6195         @}
6196     else
6197         cout << e;
6198     cout << ")";
6199 @}
6200
6201 int main()
6202 @{
6203     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6204     return 0;
6205 @}
6206 @end example
6207
6208 This will produce
6209
6210 @example
6211 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6212 symbol(y))),numeric(-2)))
6213 @end example
6214
6215 If you need an output format that makes it possible to accurately
6216 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6217 object factory, you should consider storing the expression in an
6218 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6219 See the section on archiving for more information.
6220
6221
6222 @subsection Expression input
6223 @cindex input of expressions
6224
6225 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6226 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6227 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6228 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6229 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6230
6231 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6232 list of symbols to be used:
6233
6234 @example
6235 @{
6236     symbol x("x"), y("y");
6237     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6238 @}
6239 @end example
6240
6241 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6242 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6243 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6244 the list it will throw an exception.
6245
6246 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6247
6248 @example
6249 #include <iostream>
6250 #include <string>
6251 #include <stdexcept>
6252 #include <ginac/ginac.h>
6253 using namespace std;
6254 using namespace GiNaC;
6255
6256 int main()
6257 @{
6258     symbol x("x");
6259     string s;
6260
6261     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6262     getline(cin, s);
6263
6264     try @{
6265         ex e(s, lst(x));
6266         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6267         cout << e.diff(x) << ".\n";
6268     @} catch (exception &p) @{
6269         cerr << p.what() << endl;
6270     @}
6271 @}
6272 @end example
6273
6274
6275 @subsection Archiving
6276 @cindex @code{archive} (class)
6277 @cindex archiving
6278
6279 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6280 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6281 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6282 expression a unique name:
6283
6284 @example
6285 #include <fstream>
6286 using namespace std;
6287 #include <ginac/ginac.h>
6288 using namespace GiNaC;
6289
6290 int main()
6291 @{
6292     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6293
6294     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6295     ex bar = foo + 1;
6296
6297     archive a;
6298     a.archive_ex(foo, "foo");
6299     a.archive_ex(bar, "the second one");
6300     // ...
6301 @end example
6302
6303 The archive can then be written to a file:
6304
6305 @example
6306     // ...
6307     ofstream out("foobar.gar");
6308     out << a;
6309     out.close();
6310     // ...
6311 @end example
6312
6313 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6314 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6315
6316 @cindex @command{viewgar}
6317 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6318 the contents of GiNaC archive files:
6319
6320 @example
6321 $ viewgar foobar.gar
6322 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6323 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6324 @end example
6325
6326 The point of writing archive files is of course that they can later be
6327 read in again:
6328
6329 @example
6330     // ...
6331     archive a2;
6332     ifstream in("foobar.gar");
6333     in >> a2;
6334     // ...
6335 @end example
6336
6337 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6338
6339 @example
6340     // ...
6341     lst syms;
6342     syms = x, y;
6343
6344     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6345     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6346
6347     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6348     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6349     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6350 @}
6351 @end example
6352
6353 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6354 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6355 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6356 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6357 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6358 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6359 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6360 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6361
6362 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6363 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6364 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6365 functions that let you access the stored properties:
6366
6367 @example
6368 static void my_print2(const archive_node & n)
6369 @{
6370     string class_name;
6371     n.find_string("class", class_name);
6372     cout << class_name << "(";
6373
6374     archive_node::propinfovector p;
6375     n.get_properties(p);
6376
6377     size_t num = p.size();
6378     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6379         const string &name = p[i].name;
6380         if (name == "class")
6381             continue;
6382         cout << name << "=";
6383
6384         unsigned count = p[i].count;
6385         if (count > 1)
6386             cout << "@{";
6387
6388         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6389             switch (p[i].type) @{
6390                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6391                     bool x;
6392                     n.find_bool(name, x, j);
6393                     cout << (x ? "true" : "false");
6394                     break;
6395                 @}
6396                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6397                     unsigned x;
6398                     n.find_unsigned(name, x, j);
6399                     cout << x;
6400                     break;
6401                 @}
6402                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6403                     string x;
6404                     n.find_string(name, x, j);
6405                     cout << '\"' << x << '\"';
6406                     break;
6407                 @}
6408                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6409                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6410                     my_print2(x);
6411                     break;
6412                 @}
6413             @}
6414
6415             if (j != count-1)
6416                 cout << ",";
6417         @}
6418
6419         if (count > 1)
6420             cout << "@}";
6421
6422         if (i != num-1)
6423             cout << ",";
6424     @}
6425
6426     cout << ")";
6427 @}
6428
6429 int main()
6430 @{
6431     ex e = pow(2, x) - y;
6432     archive ar(e, "e");
6433     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6434     return 0;
6435 @}
6436 @end example
6437
6438 This will produce:
6439
6440 @example
6441 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6442 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6443 overall_coeff=numeric(number="0"))
6444 @end example
6445
6446 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6447 class may change between GiNaC versions.
6448
6449
6450 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6451 @c    node-name, next, previous, up
6452 @chapter Extending GiNaC
6453
6454 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6455 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6456 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6457 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6458 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6459 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6460
6461 @menu
6462 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6463 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6464 * Printing::                         Adding new output formats.
6465 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6466 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6467 @end menu
6468
6469
6470 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6471 @c    node-name, next, previous, up
6472 @section What doesn't belong into GiNaC
6473
6474 @cindex @command{ginsh}
6475 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6476 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6477 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6478 language.  There are no loops or conditional expressions in
6479 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6480 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6481 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6482 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6483 the future.
6484
6485 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6486 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6487 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6488 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6489 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6490 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6491 provided by CLN are much better suited.
6492
6493
6494 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6495 @c    node-name, next, previous, up
6496 @section Symbolic functions
6497
6498 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6499 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6500 two preprocessor macros:
6501
6502 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6503 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6504 @example
6505 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6506 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6507 @end example
6508
6509 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6510 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6511 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6512 @code{function} object that represents your function.
6513
6514 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6515 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6516 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6517 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6518 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6519 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6520 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6521 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6522
6523 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6524 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6525 done our best to avoid macros where we can.)
6526
6527 @subsection A minimal example
6528
6529 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6530 that is not further evaluated:
6531
6532 @example
6533 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6534
6535 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6536 @end example
6537
6538 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6539 in algebraic expressions:
6540
6541 @example
6542 @{
6543     ...
6544     symbol x("x");
6545     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6546     cout << e << endl;
6547      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6548     ...
6549 @}
6550 @end example
6551
6552 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6553 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6554 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6555 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6556
6557 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6558 example of how to make an "intelligent" function.
6559
6560 @subsection The cosine function
6561
6562 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6563
6564 @example
6565 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6566 @end example
6567
6568 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6569 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6570 this function in expressions.
6571
6572 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6573 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6574
6575 @example
6576 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6577                        evalf_func(cos_evalf).
6578                        derivative_func(cos_deriv).
6579                        latex_name("\\cos"));
6580 @end example
6581
6582 There are four options defined for the cosine function. One of them
6583 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6584 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6585 function are defined.
6586
6587 @cindex @code{hold()}
6588 @cindex evaluation
6589 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6590 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6591 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6592 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6593 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6594 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6595 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6596 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6597 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6598 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6599 somewhere.
6600
6601 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6602 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6603 what is going on):
6604
6605 @example
6606 static ex cos_eval(const ex & x)
6607 @{
6608     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6609         return 1;
6610     else if ("x is a multiple of Pi")
6611         return -1;
6612     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6613         return 0;
6614     // more rules...
6615
6616     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6617         return y;
6618     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6619         return sqrt(1-y^2);
6620     // more rules...
6621
6622     else
6623         return cos(x).hold();
6624 @}
6625 @end example
6626
6627 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6628
6629 @example
6630 @{
6631     ...
6632     e = cos(Pi);
6633      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6634      // the actual expression
6635     cout << e << endl;
6636      // prints '-1'
6637     ...
6638 @}
6639 @end example
6640
6641 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6642 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6643 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6644 with @code{.hold()}.
6645
6646 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6647 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6648 different function:
6649
6650 @example
6651 static ex cos_evalf(const ex & x)
6652 @{
6653     if (is_a<numeric>(x))
6654         return cos(ex_to<numeric>(x));
6655     else
6656         return cos(x).hold();
6657 @}
6658 @end example
6659
6660 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6661 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6662 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6663 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6664 function would require it in this place.
6665
6666 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6667 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6668 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6669 @code{ex::diff}):
6670
6671 @example
6672 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6673 @{
6674     return -sin(x);
6675 @}
6676 @end example
6677
6678 @cindex product rule
6679 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6680 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6681 case the function has more than one parameter, and its main application
6682 is for correct handling of the chain rule.
6683
6684 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6685 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6686 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6687 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6688
6689 @example
6690 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6691                      int order, unsigned options)
6692 @{
6693     // Find the actual expansion point
6694     const ex x_pt = x.subs(rel);
6695
6696     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6697         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6698
6699     // On a pole, expand sin()/cos()
6700     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6701 @}
6702 @end example
6703
6704 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6705 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6706
6707 @subsection Function options
6708
6709 GiNaC functions understand several more options which are always
6710 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6711 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6712 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6713 functions without any special options.
6714
6715 @example
6716 eval_func(<C++ function>)
6717 evalf_func(<C++ function>)
6718 derivative_func(<C++ function>)
6719 series_func(<C++ function>)
6720 conjugate_func(<C++ function>)
6721 @end example
6722
6723 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6724 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6725 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6726 @code{diff()} and @code{series()}.
6727
6728 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6729 automatic evaluation is desired or possible.
6730
6731 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6732 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6733 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6734 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6735 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6736 suitable transformation.
6737
6738 @example
6739 latex_name(const string & n)
6740 @end example
6741
6742 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6743 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6744
6745 @example
6746 do_not_evalf_params()
6747 @end example
6748
6749 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6750 function before calling the @code{evalf_func()}.
6751
6752 @example
6753 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6754 @end example
6755
6756 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6757 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6758 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6759 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6760 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6761 commutation properties of their first argument.
6762
6763 @example
6764 set_symmetry(const symmetry & s)
6765 @end example
6766
6767 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6768 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6769 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6770 symmetric functions into a canonical order.
6771
6772 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6773 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6774 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6775 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6776 with the
6777
6778 @example
6779 print_func<C>(<C++ function>)
6780 @end example
6781
6782 option which is explained in the next section.
6783
6784 @subsection Functions with a variable number of arguments
6785
6786 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6787 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6788 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6789 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6790 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6791
6792 It is also possible to define functions that accept a different number of
6793 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6794 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6795 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6796 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6797 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6798 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6799 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6800 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6801
6802
6803 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6804 @c    node-name, next, previous, up
6805 @section GiNaC's expression output system
6806
6807 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6808 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6809 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6810 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6811 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6812 functions.
6813
6814 @cindex @code{print_context} (class)
6815 @cindex @code{print_dflt} (class)
6816 @cindex @code{print_latex} (class)
6817 @cindex @code{print_tree} (class)
6818 @cindex @code{print_csrc} (class)
6819 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6820 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6821 header file:
6822
6823 @table @code
6824 @item print_dflt
6825 the default output format
6826 @item print_latex
6827 output in LaTeX mathematical mode
6828 @item print_tree
6829 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6830 @item print_csrc
6831 the base class for C source output
6832 @item print_csrc_float
6833 C source output using the @code{float} type
6834 @item print_csrc_double
6835 C source output using the @code{double} type
6836 @item print_csrc_cl_N
6837 C source output using CLN types
6838 @end table
6839
6840 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6841
6842 @example
6843 class print_context
6844 @{
6845     ...
6846 public:
6847     std::ostream & s;
6848     unsigned options;
6849 @};
6850 @end example
6851
6852 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6853 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6854 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6855 to print the index dimension which is normally hidden.
6856
6857 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6858 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6859 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6860 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6861
6862 @cindex @code{print()}
6863 @example
6864 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6865 @end example
6866
6867 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6868 top-level algebraic object contained in the expression.
6869
6870 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6871 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6872 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6873 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6874 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6875 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6876 (single) virtual function dispatch.
6877
6878 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6879 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6880 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6881 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6882 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6883 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6884 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6885 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6886 object's class name enclosed in square brackets).
6887
6888 You can think of the print methods of all the different classes and output
6889 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6890 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6891 classes.
6892
6893 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6894 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6895 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6896 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6897 methods at run-time).
6898
6899 @subsection Print methods for classes
6900
6901 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6902 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6903 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6904 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6905 can also be used to override existing methods dynamically.
6906
6907 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6908 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6909 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6910 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6911 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6912 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6913 the class is the one being implemented by
6914 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6915
6916 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6917 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6918 @code{unsigned}.
6919
6920 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6921 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6922 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6923 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6924 private and protected members of @code{T}.
6925
6926 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6927 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6928 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6929 purposes if you write your own output formats.
6930
6931 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6932 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6933 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6934 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6935
6936 @example
6937 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6938                              const print_latex & c,
6939                              unsigned level)
6940 @{
6941     // get the precedence of the 'power' class
6942     unsigned power_prec = p.precedence();
6943
6944     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6945     // we need parentheses around the power
6946     if (level >= power_prec)
6947         c.s << '(';
6948
6949     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6950     // separated by an uparrow
6951     c.s << '@{';
6952     p.op(0).print(c, power_prec);
6953     c.s << "@}\\uparrow@{";
6954     p.op(1).print(c, power_prec);
6955     c.s << '@}';
6956
6957     // don't forget the closing parenthesis
6958     if (level >= power_prec)
6959         c.s << ')';
6960 @}
6961                                                                                 
6962 int main()
6963 @{
6964     // a sample expression
6965     symbol x("x"), y("y");
6966     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6967
6968     // switch to LaTeX mode
6969     cout << latex;
6970
6971     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6972     cout << e << endl;
6973
6974     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6975     // our own one
6976     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6977
6978     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
6979     //              \uparrow@{2@}@}"
6980     cout << e << endl;
6981 @}
6982 @end example
6983
6984 Some notes:
6985
6986 @itemize
6987
6988 @item
6989 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6990 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6991
6992 @item
6993 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6994 @code{power} objects for the purpose of printing.
6995
6996 @item
6997 The output of products including negative powers as fractions is also
6998 controlled by the @code{mul} class.
6999
7000 @item
7001 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7002 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7003
7004 @end itemize
7005
7006 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7007 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7008 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7009 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7010 sources, find the method that is installed at startup
7011 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7012 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7013
7014 @subsection Print methods for functions
7015
7016 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7017 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7018 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7019 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7020 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7021
7022 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7023
7024 @example
7025 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7026 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7027                                                                                 
7028 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7029 @{
7030     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7031 @}
7032                                                                                 
7033 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7034 @{
7035     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7036 @}
7037                                                                                 
7038 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7039                        evalf_func(abs_evalf).
7040                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7041                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7042                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7043 @end example
7044
7045 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7046 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7047
7048 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7049
7050 @subsection Adding new output formats
7051
7052 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7053 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7054 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7055 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7056 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7057 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7058 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7059 options value.
7060
7061 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7062
7063 @example
7064 class print_myformat : public print_dflt
7065 @{
7066     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7067 public:
7068     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7069      : print_dflt(os, opt) @{@}
7070 @};
7071
7072 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7073
7074 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7075 @end example
7076
7077 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7078 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7079 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7080 format are implemented as print methods, as described above.
7081
7082 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7083 exactly like GiNaC's default output format:
7084
7085 @example
7086 @{
7087     symbol x("x");
7088     ex e = pow(x, 2) + 1;
7089
7090     // this prints "1+x^2"
7091     cout << e << endl;
7092     
7093     // this also prints "1+x^2"
7094     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7095
7096     ...
7097 @}
7098 @end example
7099
7100 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7101 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7102
7103 @example
7104 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7105 // example above for explanations.
7106 void print_power_as_myformat(const power & p,
7107                              const print_myformat & c,
7108                              unsigned level)
7109 @{
7110     unsigned power_prec = p.precedence();
7111     if (level >= power_prec)
7112         c.s << '(';
7113     p.op(0).print(c, power_prec);
7114     c.s << "**";
7115     p.op(1).print(c, power_prec);
7116     if (level >= power_prec)
7117         c.s << ')';
7118 @}
7119
7120 @{
7121     ...
7122     // install a new print method for power objects
7123     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7124
7125     // now this prints "1+x**2"
7126     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7127
7128     // but the default format is still "1+x^2"
7129     cout << e << endl;
7130 @}
7131 @end example
7132
7133
7134 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7135 @c    node-name, next, previous, up
7136 @section Structures
7137
7138 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7139 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7140 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7141 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7142 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7143
7144 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7145 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7146 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7147 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7148 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7149 read both sections because many common concepts and member functions are
7150 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7151 is most suited to your needs.
7152
7153 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7154 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7155 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7156
7157 @subsection Example: scalar products
7158
7159 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7160 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7161 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7162 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7163 product in a C++ @code{struct}:
7164
7165 @example
7166 #include <iostream>
7167 using namespace std;
7168
7169 #include <ginac/ginac.h>
7170 using namespace GiNaC;
7171
7172 struct sprod_s @{
7173     ex left, right;
7174
7175     sprod_s() @{@}
7176     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7177 @};
7178 @end example
7179
7180 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7181 data structure, we need only one line:
7182
7183 @example
7184 typedef structure<sprod_s> sprod;
7185 @end example
7186
7187 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7188 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7189 expressions like any other GiNaC class:
7190
7191 @example
7192 ...
7193     symbol a("a"), b("b");
7194     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7195 ...
7196 @end example
7197
7198 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7199 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7200 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7201 constructed from an @code{sprod_s} object.
7202
7203 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7204 you could define a little wrapper function like this:
7205
7206 @example
7207 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7208 @{
7209     return sprod(sprod_s(left, right));
7210 @}
7211 @end example
7212
7213 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7214 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7215 @code{get_struct()}:
7216
7217 @example
7218 ...
7219     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7220      // -> a
7221     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7222      // -> b
7223 ...
7224 @end example
7225
7226 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7227
7228 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7229 that deal with scalar products, for example:
7230
7231 @example
7232 ex swap_sprod(ex p)
7233 @{
7234     if (is_a<sprod>(p)) @{
7235         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7236         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7237     @} else
7238         return p;
7239 @}
7240
7241 ...
7242     f = swap_sprod(e);
7243      // f is now <b|a>
7244 ...
7245 @end example
7246
7247 @subsection Structure output
7248
7249 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7250 desired, most notably proper output:
7251
7252 @example
7253 ...
7254     cout << e << endl;
7255      // -> [structure object]
7256 ...
7257 @end example
7258
7259 By default, any structure types you define will be printed as
7260 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7261 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7262 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7263 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7264 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7265 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7266
7267 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7268 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7269
7270 @example
7271 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7272 @{
7273     // tree debug output handled by superclass
7274     if (is_a<print_tree>(c))
7275         inherited::print(c, level);
7276
7277     // get the contained sprod_s object
7278     const sprod_s & sp = get_struct();
7279
7280     // print_context::s is a reference to an ostream
7281     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7282 @}
7283 @end example
7284
7285 Now we can print expressions containing scalar products:
7286
7287 @example
7288 ...
7289     cout << e << endl;
7290      // -> <a|b>
7291     cout << swap_sprod(e) << endl;
7292      // -> <b|a>
7293 ...
7294 @end example
7295
7296 @subsection Comparing structures
7297
7298 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7299 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7300 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7301 and undesired behavior:
7302
7303 @example
7304 ...
7305     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7306      // -> 0
7307     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7308      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7309 ...
7310 @end example
7311
7312 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7313 for objects of type @code{sprod_s}:
7314
7315 @example
7316 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7317 @{
7318     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7319 @}
7320
7321 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7322 @{
7323     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7324            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7325 @}
7326 @end example
7327
7328 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7329 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7330 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7331 in the implementation of these operators because they would construct
7332 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7333 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7334 decide which one is algebraically 'less').
7335
7336 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7337 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7338
7339 @example
7340 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7341 @end example
7342
7343 @code{sprod} objects then behave as expected:
7344
7345 @example
7346 ...
7347     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7348      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7349     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7350      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7351     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7352      // -> 0
7353     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7354      // -> 2*<a|b>
7355 ...
7356 @end example
7357
7358 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7359 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7360 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7361 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7362 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7363 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7364
7365 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7366 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7367 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7368 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7369 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7370 undefined value) that the @code{T} class might have.
7371
7372 @subsection Subexpressions
7373
7374 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7375 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7376 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7377
7378 @example
7379 size_t sprod::nops() const
7380 @{
7381     return 2;
7382 @}
7383
7384 ex sprod::op(size_t i) const
7385 @{
7386     switch (i) @{
7387     case 0:
7388         return get_struct().left;
7389     case 1:
7390         return get_struct().right;
7391     default:
7392         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7393     @}
7394 @}
7395 @end example
7396
7397 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7398 @code{sprod} has two other nice side effects:
7399
7400 @itemize @bullet
7401 @item
7402 @code{has()} works as expected
7403 @item
7404 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7405 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7406 @end itemize
7407
7408 @cindex @code{let_op()}
7409 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7410 allows replacing subexpressions:
7411
7412 @example
7413 ex & sprod::let_op(size_t i)
7414 @{
7415     // every non-const member function must call this
7416     ensure_if_modifiable();
7417
7418     switch (i) @{
7419     case 0:
7420         return get_struct().left;
7421     case 1:
7422         return get_struct().right;
7423     default:
7424         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7425     @}
7426 @}
7427 @end example
7428
7429 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7430 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7431 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7432 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7433
7434 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7435 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7436 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7437 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7438 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7439 This is left as an exercise for the reader.
7440
7441 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7442 you can override by specialization to customize the behavior of your
7443 structures. You are referred to the next section for a description of
7444 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7445 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7446 @code{structure<T>} template: archiving.
7447
7448 @subsection Archiving structures
7449
7450 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7451 should first read the next section and then come back here. You're back?
7452 Good.
7453
7454 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7455 specializations for the @code{archive()} member function and the
7456 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7457 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7458 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7459 the class of an object is stored as a string, the class name.
7460
7461 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7462 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7463 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7464 need to provide a different name for each by specializing the
7465 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7466 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7467
7468 @example
7469 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7470
7471 void sprod::archive(archive_node & n) const
7472 @{
7473     inherited::archive(n);
7474     n.add_ex("left", get_struct().left);
7475     n.add_ex("right", get_struct().right);
7476 @}
7477
7478 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7479 @{
7480     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7481     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7482 @}
7483 @end example
7484
7485 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7486 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7487 @code{sprod::unarchive()} function.
7488
7489
7490 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7491 @c    node-name, next, previous, up
7492 @section Adding classes
7493
7494 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7495 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7496 severe of which being that you can't add any new member functions to
7497 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7498 from scratch.
7499
7500 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7501 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7502 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7503 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7504 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7505 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7506 representing tensor products is more involved but this section should give
7507 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7508 classes if you want to implement something more complicated.
7509
7510 @subsection GiNaC's run-time type information system
7511
7512 @cindex hierarchy of classes
7513 @cindex RTTI
7514 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7515 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7516 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7517 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7518 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7519 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7520 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7521 system that provides this kind of information is called a run-time type
7522 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7523 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7524 implements its own, simpler RTTI.
7525
7526 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7527
7528 @itemize @bullet
7529
7530 @item
7531 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7532 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7533 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7534 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7535
7536 @item
7537 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7538 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7539 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7540 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7541 @file{registrar.h} header file.
7542
7543 @end itemize
7544
7545 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7546 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7547 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7548 macros.
7549
7550 @subsection A minimalistic example
7551
7552 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7553 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7554 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7555 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7556 for your own classes.
7557
7558 The code snippets given here assume that you have included some header files
7559 as follows:
7560
7561 @example
7562 #include <iostream>
7563 #include <string>   
7564 #include <stdexcept>
7565 using namespace std;
7566
7567 #include <ginac/ginac.h>
7568 using namespace GiNaC;
7569 @end example
7570
7571 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7572 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7573 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7574 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7575 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7576 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7577
7578 @example
7579 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7580 @end example
7581
7582 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7583 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7584 object from a C or C++ string:
7585
7586 @example
7587 class mystring : public basic
7588 @{
7589     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7590   
7591 public:
7592     mystring(const string &s);
7593     mystring(const char *s);
7594
7595 private:
7596     string str;
7597 @};
7598
7599 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7600 @end example
7601
7602 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7603 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7604 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7605 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7606 the first line after the opening brace of the class definition. The
7607 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7608 source (at global scope, of course, not inside a function).
7609
7610 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7611 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7612 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7613 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7614 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7615 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7616 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7617 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7618
7619 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7620 class:
7621
7622 @itemize
7623
7624 @item
7625 @code{mystring()}, the default constructor.
7626
7627 @item
7628 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7629 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7630 @code{archive_node}.
7631
7632 @item
7633 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7634 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7635 found in an @code{archive_node}.
7636
7637 @item
7638 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7639 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7640 constructor.
7641
7642 @item
7643 @cindex @code{compare_same_type()}
7644 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7645 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7646 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7647 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7648 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7649 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7650 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7651 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7652 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7653 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7654 defined.
7655
7656 @item
7657 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7658 which are the two constructors we declared.
7659
7660 @end itemize
7661
7662 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7663
7664 @example
7665 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7666 @end example
7667
7668 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7669 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7670 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7671 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7672 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7673 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7674 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7675 to the right value manually.
7676
7677 In the default constructor you should set all other member variables to
7678 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7679 member gets set to an empty string automatically).
7680
7681 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7682 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7683 is really simple.  First, the archiving function:
7684
7685 @example
7686 void mystring::archive(archive_node &n) const
7687 @{
7688     inherited::archive(n);
7689     n.add_string("string", str);
7690 @}
7691 @end example
7692
7693 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7694 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7695 deem necessary for representing the object into the passed
7696 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7697 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7698 file.
7699
7700 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7701 function:
7702
7703 @example
7704 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7705 @{
7706     n.find_string("string", str);
7707 @}
7708 @end example
7709
7710 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7711 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7712 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7713 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7714
7715 Finally, the unarchiving function:
7716
7717 @example
7718 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7719 @{
7720     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7721 @}
7722 @end example
7723
7724 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7725 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7726 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7727 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7728 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7729 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7730 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7731 automatically once it is no longer referenced.
7732
7733 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7734 the string members:
7735
7736 @example
7737 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7738 @{
7739     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7740     int cmpval = str.compare(o.str);
7741     if (cmpval == 0)
7742         return 0;
7743     else if (cmpval < 0)
7744         return -1;
7745     else
7746         return 1;
7747 @}
7748 @end example
7749
7750 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7751 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7752 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7753 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7754 all relevant member variables.
7755
7756 Now the only thing missing is our two new constructors:
7757
7758 @example
7759 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7760 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7761 @end example
7762
7763 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7764 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7765
7766 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7767 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7768
7769 @example
7770 ex e = mystring("Hello, world!");
7771 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7772  // -> 1 (true)
7773
7774 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7775  // -> mystring
7776 @end example
7777
7778 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7779
7780 @example
7781 cout << e << endl;
7782  // -> [mystring object]
7783 @end example
7784
7785 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7786 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7787 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7788 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7789 surrounded by double quotes:
7790
7791 @example
7792 class mystring : public basic
7793 @{
7794     ...
7795 protected:
7796     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7797     ...
7798 @};
7799
7800 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7801 @{
7802     // print_context::s is a reference to an ostream
7803     c.s << '\"' << str << '\"';
7804 @}
7805 @end example
7806
7807 The @code{level} argument is only required for container classes to
7808 correctly parenthesize the output.
7809
7810 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7811 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7812 replace the line
7813
7814 @example
7815 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7816 @end example
7817
7818 with
7819
7820 @example
7821 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7822   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7823 @end example
7824
7825 Let's try again to print the expression:
7826
7827 @example
7828 cout << e << endl;
7829  // -> "Hello, world!"
7830 @end example
7831
7832 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7833 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7834 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7835 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7836 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7837 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7838 way expression output is implemented in GiNaC.
7839
7840 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7841
7842 @example
7843 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7844 cout << e << endl;
7845  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7846 @end example
7847
7848 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7849
7850 @example
7851 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7852 cout << e << endl;
7853  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7854 @end example
7855
7856 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7857 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7858 for your objects.
7859
7860 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7861
7862 @example
7863 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7864 cout << e << endl;
7865  // -> "Wow"^2
7866
7867 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7868 cout << e.expand() << endl;
7869  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7870 @end example
7871
7872 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7873 concatenation. You would have to implement this yourself.
7874
7875 @subsection Automatic evaluation
7876
7877 @cindex evaluation
7878 @cindex @code{eval()}
7879 @cindex @code{hold()}
7880 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7881 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7882 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7883 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7884 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7885 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7886
7887 @example
7888 class mystring : public basic
7889 @{
7890     ...
7891 public:
7892     ex eval(int level = 0) const;
7893     ...
7894 @};
7895
7896 ex mystring::eval(int level) const
7897 @{
7898     string new_str;
7899     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7900         char c = str[i];
7901         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7902             new_str += tolower(c);
7903         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7904             new_str += c;
7905     @}
7906
7907     if (new_str.length() == 0)
7908         return 0;
7909     else
7910         return mystring(new_str).hold();
7911 @}
7912 @end example
7913
7914 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7915 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7916 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7917 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7918 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7919 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7920 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7921 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7922
7923 Let's confirm that it works:
7924
7925 @example
7926 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7927 cout << e << endl;
7928  // -> "helloworld"
7929
7930 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7931 cout << e << endl;
7932  // -> 3*"wow"
7933 @end example
7934
7935 @subsection Optional member functions
7936
7937 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7938 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7939 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7940
7941 @cindex @code{calchash()}
7942 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7943 @example
7944 unsigned calchash() const;
7945 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7946 @end example
7947
7948 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7949 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7950 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7951 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7952 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7953 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7954
7955 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7956 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7957 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7958 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7959
7960 @subsection Other member functions
7961
7962 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7963 might want to provide:
7964
7965 @example
7966 bool info(unsigned inf) const;
7967 ex evalf(int level = 0) const;
7968 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7969 ex derivative(const symbol & s) const;
7970 @end example
7971
7972 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7973 previous section) you will probably want to override
7974
7975 @cindex @code{let_op()}
7976 @example
7977 size_t nops() cont;
7978 ex op(size_t i) const;
7979 ex & let_op(size_t i);
7980 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7981 ex map(map_function & f) const;
7982 @end example
7983
7984 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7985 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7986 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7987
7988 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7989 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7990 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7991 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7992 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7993 should become a need.
7994
7995 That's it. May the source be with you!
7996
7997
7998 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7999 @c    node-name, next, previous, up
8000 @chapter A Comparison With Other CAS
8001 @cindex advocacy
8002
8003 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8004 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8005 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8006 disadvantages over these systems.
8007
8008 @menu
8009 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8010 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8011 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8012 @end menu
8013
8014 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8015 @c    node-name, next, previous, up
8016 @section Advantages
8017
8018 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8019 Algebra Systems, like 
8020
8021 @itemize @bullet
8022
8023 @item
8024 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8025 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8026 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8027 in common C++, which is standardized.
8028
8029 @cindex STL
8030 @item
8031 structured data types: you can build up structured data types using
8032 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8033 using unnamed lists of lists of lists.
8034
8035 @item
8036 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8037 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8038 nice for novice programmers, but dangerous.
8039     
8040 @item
8041 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8042 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8043 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8044
8045 @item
8046 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8047 separating interface and implementation.
8048
8049 @item
8050 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8051 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8052 C++-compilers for free, too.
8053     
8054 @item
8055 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8056 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8057 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8058 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8059 fix bugs in a traditional system.
8060
8061 @item
8062 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8063 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8064 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8065 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8066 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8067 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8068 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8069 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8070 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8071 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8072 FTP-site.
8073
8074 @item
8075 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8076 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8077 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8078 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8079 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8080 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8081 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8082 system (i.e. @emph{Yacas}).
8083
8084 @item
8085 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8086 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8087 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8088 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8089 speed with other CAS.
8090
8091 @end itemize
8092
8093
8094 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8095 @c    node-name, next, previous, up
8096 @section Disadvantages
8097
8098 Of course it also has some disadvantages:
8099
8100 @itemize @bullet
8101
8102 @item
8103 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8104 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8105 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8106 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8107 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8108 not planned for the near future).
8109
8110 @item
8111 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8112 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8113 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8114 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8115 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8116 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8117 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8118 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8119 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8120 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8121 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8122 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8123 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8124 yet ANSI compliant, support all needed features.
8125     
8126 @end itemize
8127
8128
8129 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8130 @c    node-name, next, previous, up
8131 @section Why C++?
8132
8133 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8134 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8135 possible), separation between interface and implementation is not
8136 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8137 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8138 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8139 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8140 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8141 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8142 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8143 any other programming language.
8144
8145
8146 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8147 @c    node-name, next, previous, up
8148 @appendix Internal Structures
8149
8150 @menu
8151 * Expressions are reference counted::
8152 * Internal representation of products and sums::
8153 @end menu
8154
8155 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8156 @c    node-name, next, previous, up
8157 @appendixsection Expressions are reference counted
8158
8159 @cindex reference counting
8160 @cindex copy-on-write
8161 @cindex garbage collection
8162 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8163 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8164 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8165 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8166 skip the rest of this passage.
8167
8168 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8169 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8170 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8171 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8172 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8173 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8174 of code:
8175
8176 @example
8177 #include <iostream>
8178 #include <ginac/ginac.h>
8179 using namespace std;
8180 using namespace GiNaC;
8181
8182 int main()
8183 @{
8184     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8185     ex e1, e2;
8186
8187     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8188     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8189     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8190     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8191     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8192 @}
8193 @end example
8194
8195 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8196 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8197 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8198 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8199 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8200 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8201 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8202 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8203 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8204 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8205 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8206 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8207 can be:
8208
8209 @example
8210 @{
8211     symbol x("x"), y("y");
8212
8213     ex e1 = x + 3*y;
8214     ex e2 = pow(e1, 3);
8215     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8216     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8217          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8218          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8219 @}
8220 @end example
8221
8222 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8223 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8224 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8225 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8226 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8227 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8228 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8229 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8230 @code{3*e1^2}.
8231
8232 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8233 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8234 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8235 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8236 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8237 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8238 semantics, we recommend you have a look at the
8239 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8240 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8241 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8242
8243
8244 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8245 @c    node-name, next, previous, up
8246 @appendixsection Internal representation of products and sums
8247
8248 @cindex representation
8249 @cindex @code{add}
8250 @cindex @code{mul}
8251 @cindex @code{power}
8252 Although it should be completely transparent for the user of
8253 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8254 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8255 unexpanded symbolic expression 
8256 @tex
8257 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8258 @end tex
8259 @ifnottex
8260 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8261 @end ifnottex
8262 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8263 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8264 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8265 fashion:
8266
8267 @image{repnaive}
8268
8269 @cindex pair-wise representation
8270 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8271 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8272 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8273 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8274 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8275 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8276 becomes much more flat:
8277
8278 @image{reppair}
8279
8280 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8281 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8282 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8283 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8284 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8285 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8286 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8287 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8288 representation, however, since they are still carrying a trivial
8289 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8290 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8291 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8292 representation for
8293 @tex
8294 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8295 @end tex
8296 @ifnottex
8297 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8298 @end ifnottex
8299
8300 @image{repreal}
8301
8302 @cindex radical
8303 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8304 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8305 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8306 same abstract class: the data representation is the same, only the
8307 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8308 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8309 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8310
8311
8312 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8313 @c    node-name, next, previous, up
8314 @appendix Package Tools
8315
8316 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8317 setting the correct command line options for the compiler and linker
8318 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8319
8320 @menu
8321 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8322 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8323 @end menu
8324
8325
8326 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8327 @c    node-name, next, previous, up
8328 @section @command{ginac-config}
8329 @cindex ginac-config
8330
8331 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8332 the compiler and linker command line options required to compile and
8333 link a program with the GiNaC library.
8334
8335 @command{ginac-config} takes the following flags:
8336
8337 @table @samp
8338 @item --version
8339 Prints out the version of GiNaC installed.
8340 @item --cppflags
8341 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8342 @item --libs
8343 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8344 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8345 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8346 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8347 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8348 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8349 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8350 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8351 @end table
8352
8353 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8354 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8355 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8356 example:
8357
8358 @example
8359 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8360 @end example
8361
8362 This command line might expand to (for example):
8363
8364 @example
8365 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8366   -lginac -lcln -lstdc++
8367 @end example
8368
8369 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8370 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8371
8372
8373 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8374 @c    node-name, next, previous, up
8375 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8376 @cindex AM_PATH_GINAC
8377
8378 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8379 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8380
8381 @example
8382 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8383               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8384 @end example
8385
8386 This macro:
8387
8388 @itemize @bullet
8389
8390 @item
8391 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8392 either found in the user's path, or from the environment variable
8393 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8394
8395 @item
8396 Tests the installed libraries to make sure that their version
8397 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8398 if not specified)
8399
8400 @item
8401 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8402 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8403 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8404 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8405 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8406
8407 @item
8408 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8409 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8410
8411 @end itemize
8412
8413 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8414 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8415 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8416 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8417 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8418
8419 @menu
8420 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8421 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8422 @end menu
8423
8424
8425 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8426 @c    node-name, next, previous, up
8427 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8428
8429 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8430 the configure script.
8431
8432 Notes:
8433
8434 @itemize @bullet
8435
8436 @item
8437 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8438 to be found by your system's dynamic linker.
8439   
8440 This is generally done by
8441
8442 @display
8443 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8444 @end display
8445
8446 or by
8447    
8448 @display
8449 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8450 @end display
8451
8452 or, as a last resort, 
8453  
8454 @display
8455 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8456 running configure, for instance:
8457
8458 @example
8459 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8460 @end example
8461 @end display
8462
8463 @item
8464 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8465 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8466 name of the executable
8467
8468 @item
8469 If you move the GiNaC package from its installed location,
8470 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8471 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8472
8473 @end itemize
8474
8475 Advanced note:
8476
8477 @itemize @bullet
8478 @item
8479 configure flags
8480   
8481 @example
8482 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8483 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8484 @end example
8485
8486 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8487 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8488 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8489 @end itemize
8490
8491
8492 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8493 @c    node-name, next, previous, up
8494 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8495
8496 The following shows how to build a simple package using automake
8497 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8498
8499 @example
8500 #include <iostream>
8501 #include <ginac/ginac.h>
8502
8503 int main()
8504 @{
8505     GiNaC::symbol x("x");
8506     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8507     std::cout << "Derivative of " << a 
8508               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8509     return 0;
8510 @}
8511 @end example
8512
8513 You should first read the introductory portions of the automake
8514 Manual, if you are not already familiar with it.
8515
8516 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8517 configure script:
8518
8519 @example
8520 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8521 AC_INIT(simple.cpp)
8522 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8523
8524 AC_PROG_CXX
8525 AC_PROG_INSTALL
8526 AC_LANG_CPLUSPLUS
8527
8528 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8529   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8530   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8531 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8532
8533 AC_OUTPUT(Makefile)
8534 @end example
8535
8536 The only command in this which is not standard for automake
8537 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8538
8539 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8540 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8541 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8542 the error message `need to have GiNaC installed'
8543
8544 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8545
8546 @example
8547 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8548 bin_PROGRAMS = simple
8549 simple_SOURCES = simple.cpp
8550 @end example
8551
8552 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8553 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8554 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8555 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8556 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8557 adding the lines:
8558
8559 @example
8560 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8561 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8562 @end example
8563
8564 to the @file{Makefile.am}.
8565
8566 To try this example out, create a new directory and add the three
8567 files above to it.
8568
8569 Now execute the following commands:
8570
8571 @example
8572 $ automake --add-missing
8573 $ aclocal
8574 $ autoconf
8575 @end example
8576
8577 You now have a package that can be built in the normal fashion
8578
8579 @example
8580 $ ./configure
8581 $ make
8582 $ make install
8583 @end example
8584
8585
8586 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8587 @c    node-name, next, previous, up
8588 @appendix Bibliography
8589
8590 @itemize @minus{}
8591
8592 @item
8593 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8594
8595 @item
8596 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8597
8598 @item
8599 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8600
8601 @item
8602 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8603
8604 @item
8605 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8606 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8607
8608 @item
8609 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8610 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8611 Academic Press, London
8612
8613 @item
8614 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8615 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8616
8617 @item
8618 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8619 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8620
8621 @item
8622 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8623 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8624
8625 @item
8626 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8627
8628 @end itemize
8629
8630
8631 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8632 @c    node-name, next, previous, up
8633 @unnumbered Concept Index
8634
8635 @printindex cp
8636
8637 @bye