]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
* Cleaned up CLN sites.
[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 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3730 * Solving Linear Systems of Equations::
3731 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3732 @end menu
3733
3734
3735 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3736 @c    node-name, next, previous, up
3737 @section Getting information about expressions
3738
3739 @subsection Checking expression types
3740 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3741 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3742 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3743 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3744 @cindex @code{info()}
3745 @cindex @code{return_type()}
3746 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3747
3748 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3749 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3750 GiNaC provides a couple of functions for this:
3751
3752 @example
3753 bool is_a<T>(const ex & e);
3754 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3755 bool ex::info(unsigned flag);
3756 unsigned ex::return_type() const;
3757 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3758 @end example
3759
3760 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3761 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3762 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3763 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3764
3765 @example
3766 @{
3767     @dots{}
3768     if (is_a<numeric>(e))
3769         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3770     @dots{}
3771 @}
3772 @end example
3773
3774 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3775 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3776 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3777 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3778
3779 @example
3780 @{
3781     symbol x("x");
3782     ex e1 = 42;
3783     ex e2 = 4*x - 3;
3784     is_a<numeric>(e1);  // true
3785     is_a<numeric>(e2);  // false
3786     is_a<add>(e1);      // false
3787     is_a<add>(e2);      // true
3788     is_a<mul>(e1);      // false
3789     is_a<mul>(e2);      // false
3790 @}
3791 @end example
3792
3793 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3794 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3795 class @samp{T}, not including parent classes.
3796
3797 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3798 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3799 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3800 table:
3801
3802 @cartouche
3803 @multitable @columnfractions .30 .70
3804 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3805 @item @code{numeric}
3806 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3807 @item @code{real}
3808 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3809 @item @code{rational}
3810 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3811 @item @code{integer}
3812 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3813 @item @code{crational}
3814 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3815 @item @code{cinteger}
3816 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3817 @item @code{positive}
3818 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3819 @item @code{negative}
3820 @tab @dots{}not complex and less than 0
3821 @item @code{nonnegative}
3822 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3823 @item @code{posint}
3824 @tab @dots{}an integer greater than 0
3825 @item @code{negint}
3826 @tab @dots{}an integer less than 0
3827 @item @code{nonnegint}
3828 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3829 @item @code{even}
3830 @tab @dots{}an even integer
3831 @item @code{odd}
3832 @tab @dots{}an odd integer
3833 @item @code{prime}
3834 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3835 @item @code{relation}
3836 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3837 @item @code{relation_equal}
3838 @tab @dots{}a @code{==} relation
3839 @item @code{relation_not_equal}
3840 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3841 @item @code{relation_less}
3842 @tab @dots{}a @code{<} relation
3843 @item @code{relation_less_or_equal}
3844 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3845 @item @code{relation_greater}
3846 @tab @dots{}a @code{>} relation
3847 @item @code{relation_greater_or_equal}
3848 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3849 @item @code{symbol}
3850 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3851 @item @code{list}
3852 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3853 @item @code{polynomial}
3854 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3855 @item @code{integer_polynomial}
3856 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3857 @item @code{cinteger_polynomial}
3858 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3859 @item @code{rational_polynomial}
3860 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3861 @item @code{crational_polynomial}
3862 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3863 @item @code{rational_function}
3864 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3865 @item @code{algebraic}
3866 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3867 @end multitable
3868 @end cartouche
3869
3870 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3871 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3872 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3873 for an explanation of these.
3874
3875
3876 @subsection Accessing subexpressions
3877 @cindex container
3878
3879 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3880 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3881 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3882 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3883
3884 @cindex @code{nops()}
3885 @cindex @code{op()}
3886 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3887 use the two methods
3888
3889 @example
3890 size_t ex::nops();
3891 ex ex::op(size_t i);
3892 @end example
3893
3894 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3895 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3896 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3897 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3898 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3899 @math{i>0} are the indices.
3900
3901 @cindex iterators
3902 @cindex @code{const_iterator}
3903 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3904 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3905
3906 @example
3907 const_iterator ex::begin();
3908 const_iterator ex::end();
3909 @end example
3910
3911 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3912 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3913 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3914 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3915
3916 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3917 given expression in three different ways:
3918
3919 @example
3920 @{
3921     ex e = ...
3922
3923     // with nops()/op()
3924     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3925         cout << e.op(i) << endl;
3926
3927     // with iterators
3928     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3929         cout << *i << endl;
3930
3931     // with iterators and STL copy()
3932     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3933 @}
3934 @end example
3935
3936 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3937 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3938 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3939 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3940 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3941 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3942 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3943 methods
3944
3945 @example
3946 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3947 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3948 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3949 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3950 @end example
3951
3952 The following example illustrates the differences between
3953 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3954 @code{const_postorder_iterator}:
3955
3956 @example
3957 @{
3958     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3959     ex e = lst(lst(A, B), C);
3960
3961     std::copy(e.begin(), e.end(),
3962               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3963     // @{A,B@}
3964     // C
3965
3966     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3967               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3968     // @{@{A,B@},C@}
3969     // @{A,B@}
3970     // A
3971     // B
3972     // C
3973
3974     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3975               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3976     // A
3977     // B
3978     // @{A,B@}
3979     // C
3980     // @{@{A,B@},C@}
3981 @}
3982 @end example
3983
3984 @cindex @code{relational} (class)
3985 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3986 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3987 methods
3988
3989 @example
3990 ex ex::lhs();
3991 ex ex::rhs();
3992 @end example
3993
3994
3995 @subsection Comparing expressions
3996 @cindex @code{is_equal()}
3997 @cindex @code{is_zero()}
3998
3999 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4000 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4001 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4002 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4003 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4004 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4005 @code{false}.
4006
4007 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4008 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4009 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4010
4011 There are also two methods
4012
4013 @example
4014 bool ex::is_equal(const ex & other);
4015 bool ex::is_zero();
4016 @end example
4017
4018 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4019 respectively.
4020
4021
4022 @subsection Ordering expressions
4023 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4024 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4025 @cindex @code{compare()}
4026
4027 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4028 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4029 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4030 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4031
4032 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4033 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4034 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4035 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4036 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4037 yield @code{true}.
4038
4039 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4040 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4041 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4042 predicates to the STL:
4043
4044 @example
4045 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4046 public:
4047     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4048 @};
4049
4050 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4051 public:
4052     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4053 @};
4054 @end example
4055
4056 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4057 have to use
4058
4059 @example
4060 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4061 @end example
4062
4063 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4064 bugs because the map operates improperly.
4065
4066 Other examples for the use of the functors:
4067
4068 @example
4069 std::vector<ex> v;
4070 // fill vector
4071 ...
4072
4073 // sort vector
4074 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4075
4076 // count the number of expressions equal to '1'
4077 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4078                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4079 @end example
4080
4081 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4082
4083 @example
4084 int ex::compare(const ex & other) const;
4085 @end example
4086
4087 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4088 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4089 after @code{other}.
4090
4091
4092 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4093 @c    node-name, next, previous, up
4094 @section Numerical Evaluation
4095 @cindex @code{evalf()}
4096
4097 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4098 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4099
4100 @example
4101 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4102 @end example
4103
4104 @cindex @code{Digits}
4105 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4106 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4107 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4108
4109 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4110 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4111
4112 @example
4113 @{
4114     // Approximate sin(x/Pi)
4115     symbol x("x");
4116     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4117
4118     // Evaluate numerically at x=0.1
4119     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4120
4121     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4122     if (is_a<numeric>(f)) @{
4123         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4124         cout << d << endl;
4125          // -> 0.0318256
4126     @} else
4127         // error
4128 @}
4129 @end example
4130
4131
4132 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4133 @c    node-name, next, previous, up
4134 @section Substituting expressions
4135 @cindex @code{subs()}
4136
4137 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4138 expressions via the @code{.subs()} method:
4139
4140 @example
4141 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4142 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4143 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4144 @end example
4145
4146 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4147 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4148
4149 @example
4150 @{
4151     symbol x("x"), y("y");
4152
4153     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4154     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4155      // -> 73
4156
4157     ex e2 = x*y + x;
4158     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4159      // -> -10
4160 @}
4161 @end example
4162
4163 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4164 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4165
4166 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4167 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4168 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4169 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4170 be substituted is large or unknown.
4171
4172 Using this form, the second example from above would look like this:
4173
4174 @example
4175 @{
4176     symbol x("x"), y("y");
4177     ex e2 = x*y + x;
4178
4179     exmap m;
4180     m[x] = -2;
4181     m[y] = 4;
4182     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4183 @}
4184 @end example
4185
4186 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4187 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4188 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4189
4190 @example
4191 @{
4192     symbol x("x"), y("y");
4193     ex e2 = x*y + x;
4194
4195     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4196 @}
4197 @end example
4198
4199 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4200 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4201 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4202 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4203 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4204 algebraic substitutions in products and powers.
4205 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4206 about patterns and algebraic substitutions.
4207
4208 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4209 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4210 following example:
4211
4212 @example
4213 @{
4214     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4215
4216     ex e1 = pow(x+y, 2);
4217     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4218      // -> 16
4219
4220     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4221     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4222      // -> cos(x)^2*sin(y)
4223
4224     ex e3 = x+y+z;
4225     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4226      // -> x+y+z
4227      // (and not 4+z as one might expect)
4228 @}
4229 @end example
4230
4231 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4232 next section.
4233
4234
4235 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4236 @c    node-name, next, previous, up
4237 @section Pattern matching and advanced substitutions
4238 @cindex @code{wildcard} (class)
4239 @cindex Pattern matching
4240
4241 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4242 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4243 substituting expressions in a more general way.
4244
4245 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4246 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4247 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4248 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4249 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4250 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4251 with the call
4252
4253 @example
4254 ex wild(unsigned label = 0);
4255 @end example
4256
4257 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4258 name.
4259
4260 Some examples for patterns:
4261
4262 @multitable @columnfractions .5 .5
4263 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4264 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4265 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4266 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4267 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4268 @end multitable
4269
4270 Notes:
4271
4272 @itemize
4273 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4274   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4275 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4276   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4277   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4278 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4279   possible to use them as placeholders for other properties like index
4280   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4281   etc.
4282 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4283   as part of noncommutative products.
4284 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4285   are also valid patterns.
4286 @end itemize
4287
4288 @subsection Matching expressions
4289 @cindex @code{match()}
4290 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4291 matches a given pattern. This is done by the function
4292
4293 @example
4294 bool ex::match(const ex & pattern);
4295 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4296 @end example
4297
4298 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4299 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4300 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4301 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4302 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4303 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4304 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4305 expressions by passing in the result of a previous match.
4306
4307 The matching algorithm works as follows:
4308
4309 @itemize
4310 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4311   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4312   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4313   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4314 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4315   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4316   etc.).
4317 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4318   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4319 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4320   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4321   of the pattern.
4322 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4323   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4324 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4325   match the corresponding subexpression of the pattern.
4326 @end itemize
4327
4328 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4329 account for their commutativity and associativity:
4330
4331 @itemize
4332 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4333   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4334   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4335   way.
4336 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4337   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4338   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4339   further matches.
4340 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4341   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4342   which case this wildcard matches the remaining terms.
4343 @end itemize
4344
4345 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4346 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4347 ambiguous results.
4348
4349 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4350 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4351 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4352
4353 @example
4354 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4355 @{@}
4356 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4357 FAIL
4358 > match((x+y)^a,$1^$2);
4359 @{$1==x+y,$2==a@}
4360 > match((x+y)^a,$1^$1);
4361 FAIL
4362 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4363 @{$1==x+y@}
4364 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4365 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4366 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4367 @{$1==a@}
4368 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4369 @{$1==c,$2==b@}
4370   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4371 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4372   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4373    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4374    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4375    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4376    fail.)
4377 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4378   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4379    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4380 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4381 FAIL
4382 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4383 @{$0==a+e+b+f+d@}
4384 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4385 @{$0==a+b+f+d@}
4386 > match(a+b,a+b+$0);
4387 @{$0==0@}
4388 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4389 FAIL
4390   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4391    even though a==a^1.)
4392 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4393 @{$0==x@}
4394 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4395 @{$0==x^2@}
4396 @end example
4397
4398 @subsection Matching parts of expressions
4399 @cindex @code{has()}
4400 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4401 member function
4402
4403 @example
4404 bool ex::has(const ex & pattern);
4405 @end example
4406
4407 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4408 by any of its subexpressions.
4409
4410 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4411 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4412
4413 @example
4414 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4415 1
4416 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4417 0
4418   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4419    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4420 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4421 1
4422   (But this is possible.)
4423 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4424 0
4425   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4426    which "x+y" is not a subexpression.)
4427 > has(x+1,x^$1);
4428 0
4429   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4430    "x^something".)
4431 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4432 1
4433 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4434 0
4435   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4436    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4437    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4438 @end example
4439
4440 @cindex @code{find()}
4441 The method
4442
4443 @example
4444 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4445 @end example
4446
4447 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4448 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4449 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4450 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4451 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4452
4453 @example
4454 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4455 @{x@}
4456 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4457 @{@}
4458 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4459 @{x^3,x^2@}
4460   (Note the absence of "x".)
4461 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4462 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4463 > find(%,sin($1));
4464 @{sin(y),sin(x)@}
4465 @end example
4466
4467 @subsection Substituting expressions
4468 @cindex @code{subs()}
4469 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4470 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4471 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4472 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4473 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4474
4475 Some examples:
4476
4477 @example
4478 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4479 b^3+a^3+(x+y)^3
4480 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4481 b^4+a^4+(x+y)^4
4482 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4483 (a+b+c)^2
4484 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4485 (x+c)^2
4486 > subs(a+2*b,a+b==x);
4487 a+2*b
4488 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4489 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4490 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4491 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4492 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4493 cos(1+cos(x))
4494 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4495 a+b
4496 @end example
4497
4498 The last example would be written in C++ in this way:
4499
4500 @example
4501 @{
4502     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4503     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4504     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4505     cout << e.expand() << endl;
4506      // -> a+b
4507 @}
4508 @end example
4509
4510 @subsection Algebraic substitutions
4511 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4512 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4513 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4514 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4515 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4516 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4517 powers.
4518
4519 An example clarifies it all (hopefully):
4520
4521 @example
4522 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4523                                         subs_options::algebraic) << endl;
4524 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4525
4526 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4527 // --> (c+b+a)^2
4528 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4529
4530 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4531                                                                       << endl;
4532 // --> (x+c)^2
4533 // As I said: addition is just the same.
4534
4535 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4536 // --> x^3*b*a^2+2*b
4537
4538 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4539                                                                        << endl;
4540 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4541
4542 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4543 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4544
4545 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4546                                 subs_options::algebraic) << endl;
4547 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4548 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4549 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4550
4551 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4552                                 subs_options::algebraic) << endl;
4553 // --> cos(1+cos(x))
4554
4555 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4556         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4557                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4558 // --> b+a
4559 @end example
4560
4561
4562 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4563 @c    node-name, next, previous, up
4564 @section Applying a Function on Subexpressions
4565 @cindex tree traversal
4566 @cindex @code{map()}
4567
4568 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4569 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4570 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4571 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4572 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4573 to do this manually which usually results in code like this:
4574
4575 @example
4576 ex calc_trace(ex e)
4577 @{
4578     if (is_a<matrix>(e))
4579         return ex_to<matrix>(e).trace();
4580     else if (is_a<add>(e)) @{
4581         ex sum = 0;
4582         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4583             sum += calc_trace(e.op(i));
4584         return sum;
4585     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4586         ...
4587     @} else @{
4588         ...
4589     @}
4590 @}
4591 @end example
4592
4593 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4594 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4595 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4596 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4597 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4598
4599 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4600 operations:
4601
4602 @example
4603 ex ex::map(map_function & f) const;
4604 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4605 @end example
4606
4607 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4608 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4609 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4610 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4611 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4612 non-recursively.
4613
4614 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4615 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4616 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4617 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4618 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4619
4620 @example
4621 struct calc_trace : public map_function @{
4622     ex operator()(const ex &e)
4623     @{
4624         if (is_a<matrix>(e))
4625             return ex_to<matrix>(e).trace();
4626         else if (is_a<mul>(e)) @{
4627             ...
4628         @} else
4629             return e.map(*this);
4630     @}
4631 @};
4632 @end example
4633
4634 This function object could then be used like this:
4635
4636 @example
4637 @{
4638     ex M = ... // expression with matrices
4639     calc_trace do_trace;
4640     ex tr = do_trace(M);
4641 @}
4642 @end example
4643
4644 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4645 terms in a variable from an expanded polynomial:
4646
4647 @example
4648 struct map_rem_quad : public map_function @{
4649     ex var;
4650     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4651
4652     ex operator()(const ex & e)
4653     @{
4654         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4655             return e.map(*this);
4656         else if (is_a<power>(e) && 
4657                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4658             return 0;
4659         else
4660             return e;
4661     @}
4662 @};
4663
4664 ...
4665
4666 @{
4667     symbol x("x"), y("y");
4668
4669     ex e;
4670     for (int i=0; i<8; i++)
4671         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4672     cout << e << endl;
4673      // -> 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
4674
4675     map_rem_quad rem_quad(x);
4676     cout << rem_quad(e) << endl;
4677      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4678 @}
4679 @end example
4680
4681 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4682 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4683 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4684 acts as the placeholder for the operands:
4685
4686 @example
4687 > map(a*b,sin($0));
4688 sin(a)*sin(b)
4689 > map(a+2*b,sin($0));
4690 sin(a)+sin(2*b)
4691 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4692 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4693 @end example
4694
4695 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4696 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4697 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4698
4699 @example
4700 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4701 @{0,0,0@}
4702   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4703   to "map(@{a,b,c@},0)".
4704 @end example
4705
4706
4707 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4708 @c    node-name, next, previous, up
4709 @section Visitors and Tree Traversal
4710 @cindex tree traversal
4711 @cindex @code{visitor} (class)
4712 @cindex @code{accept()}
4713 @cindex @code{visit()}
4714 @cindex @code{traverse()}
4715 @cindex @code{traverse_preorder()}
4716 @cindex @code{traverse_postorder()}
4717
4718 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4719 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4720 indices with variance you always want the covariant version returned.
4721
4722 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4723 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4724 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4725 with variance, one for plain ones).
4726
4727 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4728 such as the following:
4729
4730 @example
4731 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4732 @{
4733     if (is_a<varidx>(e)) @{
4734         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4735         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4736     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4737         l.append(e);
4738     @} else @{
4739         size_t n = e.nops();
4740         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4741             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4742     @}
4743 @}
4744
4745 lst gather_indices(const ex & e)
4746 @{
4747     lst l;
4748     gather_indices_helper(e, l);
4749     l.sort();
4750     l.unique();
4751     return l;
4752 @}
4753 @end example
4754
4755 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4756 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4757 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4758
4759 @example
4760     if (is_a<idx>(e)) @{
4761       ...
4762     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4763       ...
4764 @end example
4765
4766 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4767 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4768 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4769 executed.
4770
4771 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4772 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4773 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4774 write a function that required a different implementation for nearly
4775 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4776
4777 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4778 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4779 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4780 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4781 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4782 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4783 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4784 presented this would be impractical.
4785
4786 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4787 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4788 variation, described in detail in
4789 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4790 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4791 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4792 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4793 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4794 object that @code{accept()} was being invoked on.
4795
4796 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4797 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4798 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4799 each class.
4800
4801 A call of
4802
4803 @example
4804 void ex::accept(visitor & v) const;
4805 @end example
4806
4807 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4808 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4809 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4810
4811 Here is an example of a visitor:
4812
4813 @example
4814 class my_visitor
4815  : public visitor,          // this is required
4816    public add::visitor,     // visit add objects
4817    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4818    public basic::visitor    // visit basic objects
4819 @{
4820     void visit(const add & x)
4821     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4822
4823     void visit(const numeric & x)
4824     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4825
4826     void visit(const basic & x)
4827     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4828 @};
4829 @end example
4830
4831 which can be used as follows:
4832
4833 @example
4834 ...
4835     symbol x("x");
4836     ex e1 = 42;
4837     ex e2 = 4*x-3;
4838     ex e3 = 8*x;
4839
4840     my_visitor v;
4841     e1.accept(v);
4842      // prints "called with a numeric object"
4843     e2.accept(v);
4844      // prints "called with an add object"
4845     e3.accept(v);
4846      // prints "called with a basic object"
4847 ...
4848 @end example
4849
4850 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4851 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4852
4853 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4854 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4855 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4856 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4857 hierarchies of visitors.
4858
4859 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4860
4861 @example
4862 class gather_indices_visitor
4863  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4864 @{
4865     lst l;
4866
4867     void visit(const idx & i)
4868     @{
4869         l.append(i);
4870     @}
4871
4872     void visit(const varidx & vi)
4873     @{
4874         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4875     @}
4876
4877 public:
4878     const lst & get_result() // utility function
4879     @{
4880         l.sort();
4881         l.unique();
4882         return l;
4883     @}
4884 @};
4885 @end example
4886
4887 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4888 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4889
4890 @example
4891 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4892 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4893 void ex::traverse(visitor & v) const;
4894 @end example
4895
4896 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4897 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4898 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4899 @code{traverse_preorder()}.
4900
4901 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4902 and @code{traverse()}:
4903
4904 @example
4905 lst gather_indices(const ex & e)
4906 @{
4907     gather_indices_visitor v;
4908     e.traverse(v);
4909     return v.get_result();
4910 @}
4911 @end example
4912
4913 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4914 traversal:
4915
4916 @example
4917 lst gather_indices(const ex & e)
4918 @{
4919     gather_indices_visitor v;
4920     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4921          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4922         i->accept(v);
4923     @}
4924     return v.get_result();
4925 @}
4926 @end example
4927
4928
4929 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4930 @c    node-name, next, previous, up
4931 @section Polynomial arithmetic
4932
4933 @subsection Expanding and collecting
4934 @cindex @code{expand()}
4935 @cindex @code{collect()}
4936 @cindex @code{collect_common_factors()}
4937
4938 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4939 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4940 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4941 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4942 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4943 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4944 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4945 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4946 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4947 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4948 x*z}.
4949
4950 To bring an expression into expanded form, its method
4951
4952 @example
4953 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4954 @end example
4955
4956 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4957 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4958 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4959 orderings of terms in such sums!
4960
4961 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4962 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4963 being polynomials in the remaining variables.  The method
4964 @code{collect()} accomplishes this task:
4965
4966 @example
4967 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4968 @end example
4969
4970 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4971 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4972 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4973 by the @code{distributed} flag.
4974
4975 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4976 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4977 coefficients properly.
4978
4979 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4980 together with @code{find()}:
4981
4982 @example
4983 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4984 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)
4985 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4986 > collect(a,@{p,q@});
4987 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
4988 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4989 > collect(a,find(a,sin($1)));
4990 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4991 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4992 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4993 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4994 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4995 @end example
4996
4997 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4998 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4999
5000 @example
5001 ex collect_common_factors(const ex & e);
5002 @end example
5003
5004 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5005 factors which are already explicitly present:
5006
5007 @example
5008 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5009 (x+y)*a
5010 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5011 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5012 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5013 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5014 @end example
5015
5016 @subsection Degree and coefficients
5017 @cindex @code{degree()}
5018 @cindex @code{ldegree()}
5019 @cindex @code{coeff()}
5020
5021 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5022 methods
5023
5024 @example
5025 int ex::degree(const ex & s);
5026 int ex::ldegree(const ex & s);
5027 @end example
5028
5029 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5030 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5031 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5032 an expanded polynomial you use
5033
5034 @example
5035 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5036 @end example
5037
5038 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5039
5040 @example
5041 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5042 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5043 @end example
5044
5045 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5046 respectively.
5047
5048 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5049 polynomial is analyzed:
5050
5051 @example
5052 @{
5053     symbol x("x"), y("y");
5054     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5055                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5056     ex Poly = PolyInp.expand();
5057     
5058     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5059         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5060              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5061     @}
5062     cout << "As polynomial in y: " 
5063          << Poly.collect(y) << endl;
5064 @}
5065 @end example
5066
5067 When run, it returns an output in the following fashion:
5068
5069 @example
5070 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5071 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5072 The x^2-coefficient is -1
5073 The x^3-coefficient is 4*y
5074 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5075 @end example
5076
5077 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5078 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5079 within the user's sphere of influence.
5080
5081 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5082 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5083 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5084 constants, functions and indexed objects as well:
5085
5086 @example
5087 @{
5088     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5089     idx i(symbol("i"), 3);
5090
5091     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5092     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5093      // -> 4
5094     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5095      // -> -4*cos(x)
5096
5097     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5098     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5099     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5100      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5101 @}
5102 @end example
5103
5104
5105 @subsection Polynomial division
5106 @cindex polynomial division
5107 @cindex quotient
5108 @cindex remainder
5109 @cindex pseudo-remainder
5110 @cindex @code{quo()}
5111 @cindex @code{rem()}
5112 @cindex @code{prem()}
5113 @cindex @code{divide()}
5114
5115 The two functions
5116
5117 @example
5118 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5119 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5120 @end example
5121
5122 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5123 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5124
5125 The additional function
5126
5127 @example
5128 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5129 @end example
5130
5131 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5132 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5133
5134 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5135
5136 @example
5137 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5138 @end example
5139
5140 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5141 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5142 in which case the value of @code{q} is undefined.
5143
5144
5145 @subsection Unit, content and primitive part
5146 @cindex @code{unit()}
5147 @cindex @code{content()}
5148 @cindex @code{primpart()}
5149 @cindex @code{unitcontprim()}
5150
5151 The methods
5152
5153 @example
5154 ex ex::unit(const ex & x);
5155 ex ex::content(const ex & x);
5156 ex ex::primpart(const ex & x);
5157 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5158 @end example
5159
5160 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5161 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5162 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5163 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5164 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5165 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5166 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5167 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5168
5169 Additionally, the method
5170
5171 @example
5172 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5173 @end example
5174
5175 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5176 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5177
5178
5179 @subsection GCD, LCM and resultant
5180 @cindex GCD
5181 @cindex LCM
5182 @cindex @code{gcd()}
5183 @cindex @code{lcm()}
5184
5185 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5186 multiple have the synopsis
5187
5188 @example
5189 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5190 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5191 @end example
5192
5193 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5194 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5195 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5196 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5197 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5198 the coefficients must be rationals.
5199
5200 @example
5201 #include <ginac/ginac.h>
5202 using namespace GiNaC;
5203
5204 int main()
5205 @{
5206     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5207     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5208     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5209
5210     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5211     // x + 5*y + 4*z
5212     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5213     // 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
5214 @}
5215 @end example
5216
5217 @cindex resultant
5218 @cindex @code{resultant()}
5219
5220 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5221 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5222 expressions. The function has the interface
5223
5224 @example
5225 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5226 @end example
5227
5228 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5229 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5230 @code{y}, respectively:
5231
5232 @example
5233 #include <ginac/ginac.h>
5234 using namespace GiNaC;
5235
5236 int main()
5237 @{
5238     symbol x("x"), y("y");
5239
5240     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5241     ex r;
5242     
5243     r = resultant(e1, e2, x); 
5244     // -> 1+2*y^6
5245     r = resultant(e1, e2, y); 
5246     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5247 @}
5248 @end example
5249
5250 @subsection Square-free decomposition
5251 @cindex square-free decomposition
5252 @cindex factorization
5253 @cindex @code{sqrfree()}
5254
5255 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5256 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5257 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5258 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5259 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5260 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5261 one, too:
5262 @example
5263 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5264 @end example
5265 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5266 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5267 some care with subsequent processing of the result:
5268 @example
5269     ...
5270     symbol x("x"), y("y");
5271     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5272
5273     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5274      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5275
5276     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5277      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5278
5279     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5280      // -> depending on luck, any of the above
5281     ...
5282 @end example
5283 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5284 with this method.
5285
5286
5287 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5288 @c    node-name, next, previous, up
5289 @section Rational expressions
5290
5291 @subsection The @code{normal} method
5292 @cindex @code{normal()}
5293 @cindex simplification
5294 @cindex temporary replacement
5295
5296 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5297 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5298 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5299 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5300 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5301 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5302
5303 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5304 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5305 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5306 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5307 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5308 @code{.to_rational()}, described below.
5309
5310 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5311 simplified in this little code snippet:
5312
5313 @example
5314 @{
5315     symbol x("x");
5316     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5317     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5318     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5319     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5320 @}
5321 @end example
5322
5323 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5324 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5325 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5326
5327
5328 @subsection Numerator and denominator
5329 @cindex numerator
5330 @cindex denominator
5331 @cindex @code{numer()}
5332 @cindex @code{denom()}
5333 @cindex @code{numer_denom()}
5334
5335 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5336
5337 @example
5338 ex ex::numer();
5339 ex ex::denom();
5340 ex ex::numer_denom();
5341 @end example
5342
5343 These functions will first normalize the expression as described above and
5344 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5345 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5346 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5347
5348
5349 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5350 @cindex @code{to_polynomial()}
5351 @cindex @code{to_rational()}
5352
5353 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5354 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5355 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5356 above. You do this by calling
5357
5358 @example
5359 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5360 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5361 @end example
5362 or
5363 @example
5364 ex ex::to_rational(exmap & m);
5365 ex ex::to_rational(lst & l);
5366 @end example
5367
5368 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5369 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5370 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5371 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5372 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5373 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5374
5375 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5376 is probably best illustrated with an example:
5377
5378 @example
5379 @{
5380     symbol x("x"), y("y");
5381     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5382     cout << a << endl;
5383
5384     lst lp;
5385     ex p = a.to_polynomial(lp);
5386     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5387      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5388      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5389
5390     lst lr;
5391     ex r = a.to_rational(lr);
5392     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5393      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5394      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5395 @}
5396 @end example
5397
5398 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5399
5400 @example
5401 @{
5402     symbol x("x");
5403     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5404     ex b = sin(x) + cos(x);
5405     ex q;
5406     exmap m;
5407     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5408     cout << q.subs(m) << endl;
5409 @}
5410 @end example
5411
5412
5413 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5414 @c    node-name, next, previous, up
5415 @section Symbolic differentiation
5416 @cindex differentiation
5417 @cindex @code{diff()}
5418 @cindex chain rule
5419 @cindex product rule
5420
5421 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5422 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5423 the derivatives of all the monomials:
5424
5425 @example
5426 @{
5427     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5428     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5429
5430     cout << P.diff(x,2) << endl;
5431      // -> 20*x^3 + 2
5432     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5433      // -> 1
5434     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5435      // -> 0
5436 @}
5437 @end example
5438
5439 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5440 returns the @var{n}th derivative.
5441
5442 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5443 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5444 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5445 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5446 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5447 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5448 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5449 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5450 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5451 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5452 lines:
5453
5454 @cindex Euler numbers
5455 @example
5456 #include <ginac/ginac.h>
5457 using namespace GiNaC;
5458
5459 ex EulerNumber(unsigned n)
5460 @{
5461     symbol x;
5462     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5463     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5464 @}
5465
5466 int main()
5467 @{
5468     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5469         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5470     return 0;
5471 @}
5472 @end example
5473
5474 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5475 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5476 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5477
5478
5479 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5480 @c    node-name, next, previous, up
5481 @section Series expansion
5482 @cindex @code{series()}
5483 @cindex Taylor expansion
5484 @cindex Laurent expansion
5485 @cindex @code{pseries} (class)
5486 @cindex @code{Order()}
5487
5488 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5489 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5490 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5491 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5492 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5493 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5494 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5495 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5496 term).  A sample application from special relativity could read:
5497
5498 @example
5499 #include <ginac/ginac.h>
5500 using namespace std;
5501 using namespace GiNaC;
5502
5503 int main()
5504 @{
5505     symbol v("v"), c("c");
5506     
5507     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5508     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5509     
5510     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5511          << mass_nonrel << endl;
5512     
5513     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5514          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5515 @}
5516 @end example
5517
5518 Only calling the series method makes the last output simplify to
5519 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5520 series raised to the power @math{-2}.
5521
5522 @cindex Machin's formula
5523 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5524 value of Archimedes' constant
5525 @tex
5526 $\pi$
5527 @end tex
5528 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5529 using John Machin's amazing formula
5530 @tex
5531 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5532 @end tex
5533 @ifnottex
5534 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5535 @end ifnottex
5536 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5537 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5538 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5539 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5540 order term with it and the question arises what the system is supposed
5541 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5542 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5543 term off:
5544
5545 @example
5546 #include <ginac/ginac.h>
5547 using namespace GiNaC;
5548
5549 ex machin_pi(int degr)
5550 @{
5551     symbol x;
5552     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5553     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5554                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5555     return pi_approx;
5556 @}
5557
5558 int main()
5559 @{
5560     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5561     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5562     ex pi_frac;
5563     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5564         pi_frac = machin_pi(i);
5565         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5566              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5567     @}
5568     return 0;
5569 @}
5570 @end example
5571
5572 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5573 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5574 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5575 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5576 program, it will type out:
5577
5578 @example
5579 2:      3804/1195
5580         3.1832635983263598326
5581 4:      5359397032/1706489875
5582         3.1405970293260603143
5583 6:      38279241713339684/12184551018734375
5584         3.141621029325034425
5585 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5586         3.141591772182177295
5587 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5588         3.1415926824043995174
5589 @end example
5590
5591
5592 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5593 @c    node-name, next, previous, up
5594 @section Symmetrization
5595 @cindex @code{symmetrize()}
5596 @cindex @code{antisymmetrize()}
5597 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5598
5599 The three methods
5600
5601 @example
5602 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5603 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5604 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5605 @end example
5606
5607 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5608 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5609 weighted by the number of permutations.
5610
5611 The three additional methods
5612
5613 @example
5614 ex ex::symmetrize();
5615 ex ex::antisymmetrize();
5616 ex ex::symmetrize_cyclic();
5617 @end example
5618
5619 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5620
5621 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5622 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5623
5624 @example
5625 @{
5626     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5627     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5628                                            
5629     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5630      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5631     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5632      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5633     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5634      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5635 @}
5636 @end example
5637
5638 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5639 @c    node-name, next, previous, up
5640 @section Predefined mathematical functions
5641 @c
5642 @subsection Overview
5643
5644 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5645
5646 @cartouche
5647 @multitable @columnfractions .30 .70
5648 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5649 @item @code{abs(x)}
5650 @tab absolute value
5651 @cindex @code{abs()}
5652 @item @code{csgn(x)}
5653 @tab complex sign
5654 @cindex @code{conjugate()}
5655 @item @code{conjugate(x)}
5656 @tab complex conjugation
5657 @cindex @code{csgn()}
5658 @item @code{sqrt(x)}
5659 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5660 @cindex @code{sqrt()}
5661 @item @code{sin(x)}
5662 @tab sine
5663 @cindex @code{sin()}
5664 @item @code{cos(x)}
5665 @tab cosine
5666 @cindex @code{cos()}
5667 @item @code{tan(x)}
5668 @tab tangent
5669 @cindex @code{tan()}
5670 @item @code{asin(x)}
5671 @tab inverse sine
5672 @cindex @code{asin()}
5673 @item @code{acos(x)}
5674 @tab inverse cosine
5675 @cindex @code{acos()}
5676 @item @code{atan(x)}
5677 @tab inverse tangent
5678 @cindex @code{atan()}
5679 @item @code{atan2(y, x)}
5680 @tab inverse tangent with two arguments
5681 @item @code{sinh(x)}
5682 @tab hyperbolic sine
5683 @cindex @code{sinh()}
5684 @item @code{cosh(x)}
5685 @tab hyperbolic cosine
5686 @cindex @code{cosh()}
5687 @item @code{tanh(x)}
5688 @tab hyperbolic tangent
5689 @cindex @code{tanh()}
5690 @item @code{asinh(x)}
5691 @tab inverse hyperbolic sine
5692 @cindex @code{asinh()}
5693 @item @code{acosh(x)}
5694 @tab inverse hyperbolic cosine
5695 @cindex @code{acosh()}
5696 @item @code{atanh(x)}
5697 @tab inverse hyperbolic tangent
5698 @cindex @code{atanh()}
5699 @item @code{exp(x)}
5700 @tab exponential function
5701 @cindex @code{exp()}
5702 @item @code{log(x)}
5703 @tab natural logarithm
5704 @cindex @code{log()}
5705 @item @code{Li2(x)}
5706 @tab dilogarithm
5707 @cindex @code{Li2()}
5708 @item @code{Li(m, x)}
5709 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5710 @cindex @code{Li()}
5711 @item @code{G(a, y)}
5712 @tab multiple polylogarithm
5713 @cindex @code{G()}
5714 @item @code{G(a, s, y)}
5715 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5716 @cindex @code{G()}
5717 @item @code{S(n, p, x)}
5718 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5719 @cindex @code{S()}
5720 @item @code{H(m, x)}
5721 @tab harmonic polylogarithm
5722 @cindex @code{H()}
5723 @item @code{zeta(m)}
5724 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5725 @cindex @code{zeta()}
5726 @item @code{zeta(m, s)}
5727 @tab alternating Euler sum
5728 @cindex @code{zeta()}
5729 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5730 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5731 @item @code{tgamma(x)}
5732 @tab gamma function
5733 @cindex @code{tgamma()}
5734 @cindex gamma function
5735 @item @code{lgamma(x)}
5736 @tab logarithm of gamma function
5737 @cindex @code{lgamma()}
5738 @item @code{beta(x, y)}
5739 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5740 @cindex @code{beta()}
5741 @item @code{psi(x)}
5742 @tab psi (digamma) function
5743 @cindex @code{psi()}
5744 @item @code{psi(n, x)}
5745 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5746 @item @code{factorial(n)}
5747 @tab factorial function @math{n!}
5748 @cindex @code{factorial()}
5749 @item @code{binomial(n, k)}
5750 @tab binomial coefficients
5751 @cindex @code{binomial()}
5752 @item @code{Order(x)}
5753 @tab order term function in truncated power series
5754 @cindex @code{Order()}
5755 @end multitable
5756 @end cartouche
5757
5758 @cindex branch cut
5759 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5760 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5761 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5762 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5763 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5764 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5765 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5766 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5767 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5768 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5769 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5770 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5771 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5772 compatible with C99.
5773
5774 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5775 @c    node-name, next, previous, up
5776 @subsection Multiple polylogarithms
5777
5778 @cindex polylogarithm
5779 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5780 @cindex harmonic polylogarithm
5781 @cindex multiple zeta value
5782 @cindex alternating Euler sum
5783 @cindex multiple polylogarithm
5784
5785 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5786 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5787 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5788 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5789 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5790 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5791 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5792 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5793 notations are more natural to the series representation or the integral
5794 representation, respectively.
5795
5796 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5797 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5798 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5799
5800 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5801 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5802 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5803 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5804 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5805 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5806 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5807 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5808 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5809 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5810 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5811
5812 The functions print in LaTeX format as
5813 @tex
5814 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5815 @end tex
5816 @tex
5817 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5818 @end tex
5819 @tex
5820 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5821 @end tex
5822 @tex
5823 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5824 @end tex
5825 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5826 are printed with a line above, e.g.
5827 @tex
5828 $\zeta(5,\overline{2})$.
5829 @end tex
5830 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5831
5832 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5833 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5834 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5835 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5836
5837 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5838 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5839 the series representation. This means
5840 @tex
5841 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5842 @end tex
5843 @tex
5844 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5845 @end tex
5846 @tex
5847 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5848 @end tex
5849 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5850 is reversed.
5851
5852 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5853 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5854 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5855 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5856 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5857 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5858 @tex
5859 $\zeta(\overline{3},4)$
5860 @end tex
5861 and
5862 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5863 @tex
5864 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5865 @end tex
5866 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5867 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5868 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
5869 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5870 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5871 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5872 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5873
5874 @example
5875 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5876 S(2,2,x)
5877 > H(@{-3,2@},1);
5878 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5879 > S(3,1,1);
5880 1/90*Pi^4
5881 @end example
5882
5883 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5884 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5885 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5886 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5887 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5888 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5889
5890 @example
5891 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5892 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5893 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5894 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5895 @end example
5896
5897 Every function can be numerically evaluated for
5898 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5899 global variable @code{Digits}:
5900
5901 @example
5902 > Digits=100;
5903 100
5904 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5905 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5906 @end example
5907
5908 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5909 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5910
5911 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5912 unevaluated, e.g.
5913 @tex
5914 $\zeta(1)$.
5915 @end tex
5916 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5917 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5918 cancellations of divergencies happen.
5919
5920 Useful publications:
5921
5922 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5923 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5924
5925 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5926 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5927
5928 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5929 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5930
5931 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
5932 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
5933
5934 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5935 @c    node-name, next, previous, up
5936 @section Complex Conjugation
5937 @c
5938 @cindex @code{conjugate()}
5939
5940 The method
5941
5942 @example
5943 ex ex::conjugate();
5944 @end example
5945
5946 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5947 conjugation gives the expected results:
5948
5949 @example
5950 @{
5951     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5952     symbol x("x");
5953     realsymbol y("y");
5954                                            
5955     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5956      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5957     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5958      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5959 @}
5960 @end example
5961
5962 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5963 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5964 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5965 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5966 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5967
5968 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5969 @c    node-name, next, previous, up
5970 @section Solving Linear Systems of Equations
5971 @cindex @code{lsolve()}
5972
5973 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5974 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5975 needs to be solved:
5976
5977 @example
5978 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
5979           unsigned options = solve_algo::automatic);
5980 @end example
5981
5982 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5983 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5984 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5985 @code{lst}).
5986
5987 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5988 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5989
5990 @example
5991 @{
5992     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5993     lst eqns, vars;
5994     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5995     vars = x, y;
5996     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5997      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5998 @end example
5999
6000 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6001 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6002 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6003 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6004 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6005 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6006 around that method.
6007
6008
6009 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6010 @c    node-name, next, previous, up
6011 @section Input and output of expressions
6012 @cindex I/O
6013
6014 @subsection Expression output
6015 @cindex printing
6016 @cindex output of expressions
6017
6018 Expressions can simply be written to any stream:
6019
6020 @example
6021 @{
6022     symbol x("x");
6023     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6024     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6025     // ...
6026 @end example
6027
6028 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6029 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6030 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6031 is printed as @samp{x^2}).
6032
6033 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6034 a set of stream manipulators;
6035
6036 @example
6037 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6038 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6039 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6040 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6041 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6042 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6043 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6044 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6045 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6046 @end example
6047
6048 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6049 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6050 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6051
6052 @cindex @code{dflt}
6053 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6054 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6055
6056 @example
6057     // ...
6058     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6059                               // now on
6060     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6061     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6062     cout << dflt;             // revert to default output format
6063     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6064     // ...
6065 @end example
6066
6067 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6068 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6069
6070 @example
6071     // ...
6072     ostringstream s;
6073     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6074     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6075     // ...
6076 @end example
6077
6078 @cindex @code{csrc}
6079 @cindex @code{csrc_float}
6080 @cindex @code{csrc_double}
6081 @cindex @code{csrc_cl_N}
6082 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6083 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6084 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6085 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6086 classes provided by the CLN library):
6087
6088 @example
6089     // ...
6090     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6091     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6092     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6093     // ...
6094 @end example
6095
6096 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6097 @code{x*x}):
6098
6099 @example
6100 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6101 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6102 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6103 @end example
6104
6105 @cindex @code{tree}
6106 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6107 expression for debugging purposes:
6108
6109 @example
6110     // ...
6111     cout << tree << e;
6112 @}
6113 @end example
6114
6115 produces
6116
6117 @example
6118 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6119     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6120         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6121         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6122     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6123     -----
6124     overall_coeff
6125     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6126     =====
6127 @end example
6128
6129 @cindex @code{latex}
6130 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6131 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6132 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6133 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6134 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6135 constructor.
6136
6137 For example, the code snippet
6138
6139 @example
6140 @{
6141     symbol x("x", "\\circ");
6142     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6143     cout << latex << e << endl;
6144 @}
6145 @end example
6146
6147 will print
6148
6149 @example
6150     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6151     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6152 @end example
6153
6154 @cindex @code{index_dimensions}
6155 @cindex @code{no_index_dimensions}
6156 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6157 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6158 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6159 formats:
6160
6161 @example
6162 @{
6163     symbol x("x"), y("y");
6164     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6165     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6166
6167     cout << e << endl;
6168      // prints 'x~mu*y~nu'
6169     cout << index_dimensions << e << endl;
6170      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6171     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6172      // prints 'x~mu*y~nu'
6173 @}
6174 @end example
6175
6176
6177 @cindex Tree traversal
6178 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6179 with other algebra systems or for producing code for different
6180 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6181
6182 @example
6183 static void my_print(const ex & e)
6184 @{
6185     if (is_a<function>(e))
6186         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6187     else
6188         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6189     cout << "(";
6190     size_t n = e.nops();
6191     if (n)
6192         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6193             my_print(e.op(i));
6194             if (i != n-1)
6195                 cout << ",";
6196         @}
6197     else
6198         cout << e;
6199     cout << ")";
6200 @}
6201
6202 int main()
6203 @{
6204     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6205     return 0;
6206 @}
6207 @end example
6208
6209 This will produce
6210
6211 @example
6212 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6213 symbol(y))),numeric(-2)))
6214 @end example
6215
6216 If you need an output format that makes it possible to accurately
6217 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6218 object factory, you should consider storing the expression in an
6219 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6220 See the section on archiving for more information.
6221
6222
6223 @subsection Expression input
6224 @cindex input of expressions
6225
6226 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6227 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6228 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6229 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6230 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6231
6232 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6233 list of symbols to be used:
6234
6235 @example
6236 @{
6237     symbol x("x"), y("y");
6238     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6239 @}
6240 @end example
6241
6242 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6243 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6244 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6245 the list it will throw an exception.
6246
6247 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6248
6249 @example
6250 #include <iostream>
6251 #include <string>
6252 #include <stdexcept>
6253 #include <ginac/ginac.h>
6254 using namespace std;
6255 using namespace GiNaC;
6256
6257 int main()
6258 @{
6259     symbol x("x");
6260     string s;
6261
6262     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6263     getline(cin, s);
6264
6265     try @{
6266         ex e(s, lst(x));
6267         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6268         cout << e.diff(x) << ".\n";
6269     @} catch (exception &p) @{
6270         cerr << p.what() << endl;
6271     @}
6272 @}
6273 @end example
6274
6275
6276 @subsection Archiving
6277 @cindex @code{archive} (class)
6278 @cindex archiving
6279
6280 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6281 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6282 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6283 expression a unique name:
6284
6285 @example
6286 #include <fstream>
6287 using namespace std;
6288 #include <ginac/ginac.h>
6289 using namespace GiNaC;
6290
6291 int main()
6292 @{
6293     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6294
6295     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6296     ex bar = foo + 1;
6297
6298     archive a;
6299     a.archive_ex(foo, "foo");
6300     a.archive_ex(bar, "the second one");
6301     // ...
6302 @end example
6303
6304 The archive can then be written to a file:
6305
6306 @example
6307     // ...
6308     ofstream out("foobar.gar");
6309     out << a;
6310     out.close();
6311     // ...
6312 @end example
6313
6314 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6315 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6316
6317 @cindex @command{viewgar}
6318 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6319 the contents of GiNaC archive files:
6320
6321 @example
6322 $ viewgar foobar.gar
6323 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6324 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6325 @end example
6326
6327 The point of writing archive files is of course that they can later be
6328 read in again:
6329
6330 @example
6331     // ...
6332     archive a2;
6333     ifstream in("foobar.gar");
6334     in >> a2;
6335     // ...
6336 @end example
6337
6338 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6339
6340 @example
6341     // ...
6342     lst syms;
6343     syms = x, y;
6344
6345     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6346     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6347
6348     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6349     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6350     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6351 @}
6352 @end example
6353
6354 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6355 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6356 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6357 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6358 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6359 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6360 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6361 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6362
6363 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6364 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6365 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6366 functions that let you access the stored properties:
6367
6368 @example
6369 static void my_print2(const archive_node & n)
6370 @{
6371     string class_name;
6372     n.find_string("class", class_name);
6373     cout << class_name << "(";
6374
6375     archive_node::propinfovector p;
6376     n.get_properties(p);
6377
6378     size_t num = p.size();
6379     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6380         const string &name = p[i].name;
6381         if (name == "class")
6382             continue;
6383         cout << name << "=";
6384
6385         unsigned count = p[i].count;
6386         if (count > 1)
6387             cout << "@{";
6388
6389         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6390             switch (p[i].type) @{
6391                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6392                     bool x;
6393                     n.find_bool(name, x, j);
6394                     cout << (x ? "true" : "false");
6395                     break;
6396                 @}
6397                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6398                     unsigned x;
6399                     n.find_unsigned(name, x, j);
6400                     cout << x;
6401                     break;
6402                 @}
6403                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6404                     string x;
6405                     n.find_string(name, x, j);
6406                     cout << '\"' << x << '\"';
6407                     break;
6408                 @}
6409                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6410                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6411                     my_print2(x);
6412                     break;
6413                 @}
6414             @}
6415
6416             if (j != count-1)
6417                 cout << ",";
6418         @}
6419
6420         if (count > 1)
6421             cout << "@}";
6422
6423         if (i != num-1)
6424             cout << ",";
6425     @}
6426
6427     cout << ")";
6428 @}
6429
6430 int main()
6431 @{
6432     ex e = pow(2, x) - y;
6433     archive ar(e, "e");
6434     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6435     return 0;
6436 @}
6437 @end example
6438
6439 This will produce:
6440
6441 @example
6442 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6443 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6444 overall_coeff=numeric(number="0"))
6445 @end example
6446
6447 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6448 class may change between GiNaC versions.
6449
6450
6451 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6452 @c    node-name, next, previous, up
6453 @chapter Extending GiNaC
6454
6455 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6456 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6457 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6458 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6459 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6460 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6461
6462 @menu
6463 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6464 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6465 * Printing::                         Adding new output formats.
6466 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6467 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6468 @end menu
6469
6470
6471 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6472 @c    node-name, next, previous, up
6473 @section What doesn't belong into GiNaC
6474
6475 @cindex @command{ginsh}
6476 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6477 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6478 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6479 language.  There are no loops or conditional expressions in
6480 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6481 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6482 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6483 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6484 the future.
6485
6486 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6487 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6488 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6489 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6490 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6491 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6492 provided by CLN are much better suited.
6493
6494
6495 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6496 @c    node-name, next, previous, up
6497 @section Symbolic functions
6498
6499 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6500 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6501 two preprocessor macros:
6502
6503 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6504 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6505 @example
6506 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6507 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6508 @end example
6509
6510 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6511 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6512 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6513 @code{function} object that represents your function.
6514
6515 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6516 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6517 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6518 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6519 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6520 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6521 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6522 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6523
6524 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6525 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6526 done our best to avoid macros where we can.)
6527
6528 @subsection A minimal example
6529
6530 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6531 that is not further evaluated:
6532
6533 @example
6534 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6535
6536 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6537 @end example
6538
6539 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6540 in algebraic expressions:
6541
6542 @example
6543 @{
6544     ...
6545     symbol x("x");
6546     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6547     cout << e << endl;
6548      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6549     ...
6550 @}
6551 @end example
6552
6553 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6554 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6555 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6556 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6557
6558 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6559 example of how to make an "intelligent" function.
6560
6561 @subsection The cosine function
6562
6563 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6564
6565 @example
6566 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6567 @end example
6568
6569 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6570 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6571 this function in expressions.
6572
6573 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6574 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6575
6576 @example
6577 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6578                        evalf_func(cos_evalf).
6579                        derivative_func(cos_deriv).
6580                        latex_name("\\cos"));
6581 @end example
6582
6583 There are four options defined for the cosine function. One of them
6584 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6585 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6586 function are defined.
6587
6588 @cindex @code{hold()}
6589 @cindex evaluation
6590 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6591 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6592 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6593 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6594 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6595 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6596 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6597 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6598 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6599 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6600 somewhere.
6601
6602 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6603 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6604 what is going on):
6605
6606 @example
6607 static ex cos_eval(const ex & x)
6608 @{
6609     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6610         return 1;
6611     else if ("x is a multiple of Pi")
6612         return -1;
6613     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6614         return 0;
6615     // more rules...
6616
6617     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6618         return y;
6619     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6620         return sqrt(1-y^2);
6621     // more rules...
6622
6623     else
6624         return cos(x).hold();
6625 @}
6626 @end example
6627
6628 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6629
6630 @example
6631 @{
6632     ...
6633     e = cos(Pi);
6634      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6635      // the actual expression
6636     cout << e << endl;
6637      // prints '-1'
6638     ...
6639 @}
6640 @end example
6641
6642 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6643 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6644 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6645 with @code{.hold()}.
6646
6647 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6648 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6649 different function:
6650
6651 @example
6652 static ex cos_evalf(const ex & x)
6653 @{
6654     if (is_a<numeric>(x))
6655         return cos(ex_to<numeric>(x));
6656     else
6657         return cos(x).hold();
6658 @}
6659 @end example
6660
6661 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6662 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6663 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6664 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6665 function would require it in this place.
6666
6667 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6668 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6669 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6670 @code{ex::diff}):
6671
6672 @example
6673 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6674 @{
6675     return -sin(x);
6676 @}
6677 @end example
6678
6679 @cindex product rule
6680 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6681 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6682 case the function has more than one parameter, and its main application
6683 is for correct handling of the chain rule.
6684
6685 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6686 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6687 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6688 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6689
6690 @example
6691 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6692                      int order, unsigned options)
6693 @{
6694     // Find the actual expansion point
6695     const ex x_pt = x.subs(rel);
6696
6697     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6698         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6699
6700     // On a pole, expand sin()/cos()
6701     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6702 @}
6703 @end example
6704
6705 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6706 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6707
6708 @subsection Function options
6709
6710 GiNaC functions understand several more options which are always
6711 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6712 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6713 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6714 functions without any special options.
6715
6716 @example
6717 eval_func(<C++ function>)
6718 evalf_func(<C++ function>)
6719 derivative_func(<C++ function>)
6720 series_func(<C++ function>)
6721 conjugate_func(<C++ function>)
6722 @end example
6723
6724 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6725 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6726 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6727 @code{diff()} and @code{series()}.
6728
6729 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6730 automatic evaluation is desired or possible.
6731
6732 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6733 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6734 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6735 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6736 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6737 suitable transformation.
6738
6739 @example
6740 latex_name(const string & n)
6741 @end example
6742
6743 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6744 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6745
6746 @example
6747 do_not_evalf_params()
6748 @end example
6749
6750 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6751 function before calling the @code{evalf_func()}.
6752
6753 @example
6754 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6755 @end example
6756
6757 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6758 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6759 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6760 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6761 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6762 commutation properties of their first argument.
6763
6764 @example
6765 set_symmetry(const symmetry & s)
6766 @end example
6767
6768 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6769 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6770 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6771 symmetric functions into a canonical order.
6772
6773 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6774 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6775 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6776 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6777 with the
6778
6779 @example
6780 print_func<C>(<C++ function>)
6781 @end example
6782
6783 option which is explained in the next section.
6784
6785 @subsection Functions with a variable number of arguments
6786
6787 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6788 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6789 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6790 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6791 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6792
6793 It is also possible to define functions that accept a different number of
6794 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6795 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6796 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6797 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6798 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6799 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6800 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6801 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6802
6803
6804 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6805 @c    node-name, next, previous, up
6806 @section GiNaC's expression output system
6807
6808 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6809 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6810 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6811 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6812 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6813 functions.
6814
6815 @cindex @code{print_context} (class)
6816 @cindex @code{print_dflt} (class)
6817 @cindex @code{print_latex} (class)
6818 @cindex @code{print_tree} (class)
6819 @cindex @code{print_csrc} (class)
6820 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6821 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6822 header file:
6823
6824 @table @code
6825 @item print_dflt
6826 the default output format
6827 @item print_latex
6828 output in LaTeX mathematical mode
6829 @item print_tree
6830 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6831 @item print_csrc
6832 the base class for C source output
6833 @item print_csrc_float
6834 C source output using the @code{float} type
6835 @item print_csrc_double
6836 C source output using the @code{double} type
6837 @item print_csrc_cl_N
6838 C source output using CLN types
6839 @end table
6840
6841 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6842
6843 @example
6844 class print_context
6845 @{
6846     ...
6847 public:
6848     std::ostream & s;
6849     unsigned options;
6850 @};
6851 @end example
6852
6853 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6854 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6855 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6856 to print the index dimension which is normally hidden.
6857
6858 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6859 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6860 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6861 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6862
6863 @cindex @code{print()}
6864 @example
6865 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6866 @end example
6867
6868 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6869 top-level algebraic object contained in the expression.
6870
6871 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6872 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6873 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6874 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6875 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6876 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6877 (single) virtual function dispatch.
6878
6879 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6880 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6881 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6882 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6883 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6884 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6885 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6886 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6887 object's class name enclosed in square brackets).
6888
6889 You can think of the print methods of all the different classes and output
6890 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6891 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6892 classes.
6893
6894 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6895 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6896 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6897 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6898 methods at run-time).
6899
6900 @subsection Print methods for classes
6901
6902 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6903 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6904 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6905 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6906 can also be used to override existing methods dynamically.
6907
6908 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6909 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6910 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6911 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6912 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6913 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6914 the class is the one being implemented by
6915 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6916
6917 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6918 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6919 @code{unsigned}.
6920
6921 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6922 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6923 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6924 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6925 private and protected members of @code{T}.
6926
6927 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6928 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6929 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6930 purposes if you write your own output formats.
6931
6932 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6933 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6934 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6935 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6936
6937 @example
6938 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6939                              const print_latex & c,
6940                              unsigned level)
6941 @{
6942     // get the precedence of the 'power' class
6943     unsigned power_prec = p.precedence();
6944
6945     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6946     // we need parentheses around the power
6947     if (level >= power_prec)
6948         c.s << '(';
6949
6950     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6951     // separated by an uparrow
6952     c.s << '@{';
6953     p.op(0).print(c, power_prec);
6954     c.s << "@}\\uparrow@{";
6955     p.op(1).print(c, power_prec);
6956     c.s << '@}';
6957
6958     // don't forget the closing parenthesis
6959     if (level >= power_prec)
6960         c.s << ')';
6961 @}
6962                                                                                 
6963 int main()
6964 @{
6965     // a sample expression
6966     symbol x("x"), y("y");
6967     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6968
6969     // switch to LaTeX mode
6970     cout << latex;
6971
6972     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6973     cout << e << endl;
6974
6975     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6976     // our own one
6977     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6978
6979     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
6980     //              \uparrow@{2@}@}"
6981     cout << e << endl;
6982 @}
6983 @end example
6984
6985 Some notes:
6986
6987 @itemize
6988
6989 @item
6990 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6991 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6992
6993 @item
6994 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6995 @code{power} objects for the purpose of printing.
6996
6997 @item
6998 The output of products including negative powers as fractions is also
6999 controlled by the @code{mul} class.
7000
7001 @item
7002 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7003 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7004
7005 @end itemize
7006
7007 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7008 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7009 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7010 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7011 sources, find the method that is installed at startup
7012 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7013 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7014
7015 @subsection Print methods for functions
7016
7017 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7018 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7019 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7020 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7021 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7022
7023 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7024
7025 @example
7026 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7027 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7028                                                                                 
7029 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7030 @{
7031     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7032 @}
7033                                                                                 
7034 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7035 @{
7036     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7037 @}
7038                                                                                 
7039 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7040                        evalf_func(abs_evalf).
7041                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7042                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7043                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7044 @end example
7045
7046 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7047 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7048
7049 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7050
7051 @subsection Adding new output formats
7052
7053 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7054 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7055 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7056 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7057 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7058 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7059 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7060 options value.
7061
7062 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7063
7064 @example
7065 class print_myformat : public print_dflt
7066 @{
7067     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7068 public:
7069     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7070      : print_dflt(os, opt) @{@}
7071 @};
7072
7073 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7074
7075 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7076 @end example
7077
7078 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7079 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7080 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7081 format are implemented as print methods, as described above.
7082
7083 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7084 exactly like GiNaC's default output format:
7085
7086 @example
7087 @{
7088     symbol x("x");
7089     ex e = pow(x, 2) + 1;
7090
7091     // this prints "1+x^2"
7092     cout << e << endl;
7093     
7094     // this also prints "1+x^2"
7095     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7096
7097     ...
7098 @}
7099 @end example
7100
7101 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7102 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7103
7104 @example
7105 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7106 // example above for explanations.
7107 void print_power_as_myformat(const power & p,
7108                              const print_myformat & c,
7109                              unsigned level)
7110 @{
7111     unsigned power_prec = p.precedence();
7112     if (level >= power_prec)
7113         c.s << '(';
7114     p.op(0).print(c, power_prec);
7115     c.s << "**";
7116     p.op(1).print(c, power_prec);
7117     if (level >= power_prec)
7118         c.s << ')';
7119 @}
7120
7121 @{
7122     ...
7123     // install a new print method for power objects
7124     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7125
7126     // now this prints "1+x**2"
7127     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7128
7129     // but the default format is still "1+x^2"
7130     cout << e << endl;
7131 @}
7132 @end example
7133
7134
7135 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7136 @c    node-name, next, previous, up
7137 @section Structures
7138
7139 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7140 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7141 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7142 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7143 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7144
7145 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7146 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7147 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7148 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7149 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7150 read both sections because many common concepts and member functions are
7151 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7152 is most suited to your needs.
7153
7154 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7155 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7156 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7157
7158 @subsection Example: scalar products
7159
7160 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7161 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7162 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7163 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7164 product in a C++ @code{struct}:
7165
7166 @example
7167 #include <iostream>
7168 using namespace std;
7169
7170 #include <ginac/ginac.h>
7171 using namespace GiNaC;
7172
7173 struct sprod_s @{
7174     ex left, right;
7175
7176     sprod_s() @{@}
7177     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7178 @};
7179 @end example
7180
7181 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7182 data structure, we need only one line:
7183
7184 @example
7185 typedef structure<sprod_s> sprod;
7186 @end example
7187
7188 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7189 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7190 expressions like any other GiNaC class:
7191
7192 @example
7193 ...
7194     symbol a("a"), b("b");
7195     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7196 ...
7197 @end example
7198
7199 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7200 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7201 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7202 constructed from an @code{sprod_s} object.
7203
7204 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7205 you could define a little wrapper function like this:
7206
7207 @example
7208 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7209 @{
7210     return sprod(sprod_s(left, right));
7211 @}
7212 @end example
7213
7214 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7215 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7216 @code{get_struct()}:
7217
7218 @example
7219 ...
7220     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7221      // -> a
7222     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7223      // -> b
7224 ...
7225 @end example
7226
7227 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7228
7229 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7230 that deal with scalar products, for example:
7231
7232 @example
7233 ex swap_sprod(ex p)
7234 @{
7235     if (is_a<sprod>(p)) @{
7236         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7237         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7238     @} else
7239         return p;
7240 @}
7241
7242 ...
7243     f = swap_sprod(e);
7244      // f is now <b|a>
7245 ...
7246 @end example
7247
7248 @subsection Structure output
7249
7250 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7251 desired, most notably proper output:
7252
7253 @example
7254 ...
7255     cout << e << endl;
7256      // -> [structure object]
7257 ...
7258 @end example
7259
7260 By default, any structure types you define will be printed as
7261 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7262 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7263 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7264 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7265 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7266 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7267
7268 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7269 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7270
7271 @example
7272 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7273 @{
7274     // tree debug output handled by superclass
7275     if (is_a<print_tree>(c))
7276         inherited::print(c, level);
7277
7278     // get the contained sprod_s object
7279     const sprod_s & sp = get_struct();
7280
7281     // print_context::s is a reference to an ostream
7282     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7283 @}
7284 @end example
7285
7286 Now we can print expressions containing scalar products:
7287
7288 @example
7289 ...
7290     cout << e << endl;
7291      // -> <a|b>
7292     cout << swap_sprod(e) << endl;
7293      // -> <b|a>
7294 ...
7295 @end example
7296
7297 @subsection Comparing structures
7298
7299 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7300 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7301 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7302 and undesired behavior:
7303
7304 @example
7305 ...
7306     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7307      // -> 0
7308     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7309      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7310 ...
7311 @end example
7312
7313 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7314 for objects of type @code{sprod_s}:
7315
7316 @example
7317 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7318 @{
7319     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7320 @}
7321
7322 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7323 @{
7324     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7325            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7326 @}
7327 @end example
7328
7329 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7330 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7331 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7332 in the implementation of these operators because they would construct
7333 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7334 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7335 decide which one is algebraically 'less').
7336
7337 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7338 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7339
7340 @example
7341 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7342 @end example
7343
7344 @code{sprod} objects then behave as expected:
7345
7346 @example
7347 ...
7348     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7349      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7350     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7351      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7352     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7353      // -> 0
7354     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7355      // -> 2*<a|b>
7356 ...
7357 @end example
7358
7359 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7360 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7361 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7362 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7363 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7364 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7365
7366 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7367 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7368 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7369 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7370 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7371 undefined value) that the @code{T} class might have.
7372
7373 @subsection Subexpressions
7374
7375 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7376 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7377 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7378
7379 @example
7380 size_t sprod::nops() const
7381 @{
7382     return 2;
7383 @}
7384
7385 ex sprod::op(size_t i) const
7386 @{
7387     switch (i) @{
7388     case 0:
7389         return get_struct().left;
7390     case 1:
7391         return get_struct().right;
7392     default:
7393         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7394     @}
7395 @}
7396 @end example
7397
7398 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7399 @code{sprod} has two other nice side effects:
7400
7401 @itemize @bullet
7402 @item
7403 @code{has()} works as expected
7404 @item
7405 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7406 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7407 @end itemize
7408
7409 @cindex @code{let_op()}
7410 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7411 allows replacing subexpressions:
7412
7413 @example
7414 ex & sprod::let_op(size_t i)
7415 @{
7416     // every non-const member function must call this
7417     ensure_if_modifiable();
7418
7419     switch (i) @{
7420     case 0:
7421         return get_struct().left;
7422     case 1:
7423         return get_struct().right;
7424     default:
7425         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7426     @}
7427 @}
7428 @end example
7429
7430 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7431 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7432 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7433 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7434
7435 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7436 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7437 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7438 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7439 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7440 This is left as an exercise for the reader.
7441
7442 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7443 you can override by specialization to customize the behavior of your
7444 structures. You are referred to the next section for a description of
7445 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7446 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7447 @code{structure<T>} template: archiving.
7448
7449 @subsection Archiving structures
7450
7451 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7452 should first read the next section and then come back here. You're back?
7453 Good.
7454
7455 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7456 specializations for the @code{archive()} member function and the
7457 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7458 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7459 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7460 the class of an object is stored as a string, the class name.
7461
7462 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7463 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7464 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7465 need to provide a different name for each by specializing the
7466 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7467 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7468
7469 @example
7470 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7471
7472 void sprod::archive(archive_node & n) const
7473 @{
7474     inherited::archive(n);
7475     n.add_ex("left", get_struct().left);
7476     n.add_ex("right", get_struct().right);
7477 @}
7478
7479 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7480 @{
7481     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7482     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7483 @}
7484 @end example
7485
7486 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7487 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7488 @code{sprod::unarchive()} function.
7489
7490
7491 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7492 @c    node-name, next, previous, up
7493 @section Adding classes
7494
7495 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7496 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7497 severe of which being that you can't add any new member functions to
7498 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7499 from scratch.
7500
7501 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7502 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7503 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7504 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7505 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7506 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7507 representing tensor products is more involved but this section should give
7508 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7509 classes if you want to implement something more complicated.
7510
7511 @subsection GiNaC's run-time type information system
7512
7513 @cindex hierarchy of classes
7514 @cindex RTTI
7515 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7516 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7517 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7518 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7519 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7520 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7521 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7522 system that provides this kind of information is called a run-time type
7523 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7524 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7525 implements its own, simpler RTTI.
7526
7527 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7528
7529 @itemize @bullet
7530
7531 @item
7532 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7533 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7534 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7535 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7536
7537 @item
7538 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7539 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7540 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7541 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7542 @file{registrar.h} header file.
7543
7544 @end itemize
7545
7546 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7547 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7548 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7549 macros.
7550
7551 @subsection A minimalistic example
7552
7553 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7554 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7555 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7556 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7557 for your own classes.
7558
7559 The code snippets given here assume that you have included some header files
7560 as follows:
7561
7562 @example
7563 #include <iostream>
7564 #include <string>   
7565 #include <stdexcept>
7566 using namespace std;
7567
7568 #include <ginac/ginac.h>
7569 using namespace GiNaC;
7570 @end example
7571
7572 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7573 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7574 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7575 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7576 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7577 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7578
7579 @example
7580 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7581 @end example
7582
7583 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7584 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7585 object from a C or C++ string:
7586
7587 @example
7588 class mystring : public basic
7589 @{
7590     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7591   
7592 public:
7593     mystring(const string &s);
7594     mystring(const char *s);
7595
7596 private:
7597     string str;
7598 @};
7599
7600 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7601 @end example
7602
7603 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7604 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7605 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7606 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7607 the first line after the opening brace of the class definition. The
7608 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7609 source (at global scope, of course, not inside a function).
7610
7611 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7612 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7613 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7614 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7615 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7616 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7617 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7618 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7619
7620 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7621 class:
7622
7623 @itemize
7624
7625 @item
7626 @code{mystring()}, the default constructor.
7627
7628 @item
7629 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7630 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7631 @code{archive_node}.
7632
7633 @item
7634 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7635 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7636 found in an @code{archive_node}.
7637
7638 @item
7639 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7640 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7641 constructor.
7642
7643 @item
7644 @cindex @code{compare_same_type()}
7645 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7646 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7647 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7648 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7649 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7650 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7651 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7652 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7653 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7654 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7655 defined.
7656
7657 @item
7658 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7659 which are the two constructors we declared.
7660
7661 @end itemize
7662
7663 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7664
7665 @example
7666 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7667 @end example
7668
7669 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7670 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7671 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7672 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7673 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7674 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7675 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7676 to the right value manually.
7677
7678 In the default constructor you should set all other member variables to
7679 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7680 member gets set to an empty string automatically).
7681
7682 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7683 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7684 is really simple.  First, the archiving function:
7685
7686 @example
7687 void mystring::archive(archive_node &n) const
7688 @{
7689     inherited::archive(n);
7690     n.add_string("string", str);
7691 @}
7692 @end example
7693
7694 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7695 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7696 deem necessary for representing the object into the passed
7697 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7698 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7699 file.
7700
7701 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7702 function:
7703
7704 @example
7705 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7706 @{
7707     n.find_string("string", str);
7708 @}
7709 @end example
7710
7711 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7712 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7713 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7714 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7715
7716 Finally, the unarchiving function:
7717
7718 @example
7719 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7720 @{
7721     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7722 @}
7723 @end example
7724
7725 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7726 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7727 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7728 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7729 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7730 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7731 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7732 automatically once it is no longer referenced.
7733
7734 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7735 the string members:
7736
7737 @example
7738 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7739 @{
7740     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7741     int cmpval = str.compare(o.str);
7742     if (cmpval == 0)
7743         return 0;
7744     else if (cmpval < 0)
7745         return -1;
7746     else
7747         return 1;
7748 @}
7749 @end example
7750
7751 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7752 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7753 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7754 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7755 all relevant member variables.
7756
7757 Now the only thing missing is our two new constructors:
7758
7759 @example
7760 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7761 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7762 @end example
7763
7764 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7765 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7766
7767 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7768 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7769
7770 @example
7771 ex e = mystring("Hello, world!");
7772 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7773  // -> 1 (true)
7774
7775 cout << e.bp->class_name() << endl;
7776  // -> mystring
7777 @end example
7778
7779 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7780
7781 @example
7782 cout << e << endl;
7783  // -> [mystring object]
7784 @end example
7785
7786 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7787 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7788 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7789 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7790 surrounded by double quotes:
7791
7792 @example
7793 class mystring : public basic
7794 @{
7795     ...
7796 protected:
7797     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7798     ...
7799 @};
7800
7801 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7802 @{
7803     // print_context::s is a reference to an ostream
7804     c.s << '\"' << str << '\"';
7805 @}
7806 @end example
7807
7808 The @code{level} argument is only required for container classes to
7809 correctly parenthesize the output.
7810
7811 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7812 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7813 replace the line
7814
7815 @example
7816 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7817 @end example
7818
7819 with
7820
7821 @example
7822 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7823   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7824 @end example
7825
7826 Let's try again to print the expression:
7827
7828 @example
7829 cout << e << endl;
7830  // -> "Hello, world!"
7831 @end example
7832
7833 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7834 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7835 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7836 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7837 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7838 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7839 way expression output is implemented in GiNaC.
7840
7841 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7842
7843 @example
7844 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7845 cout << e << endl;
7846  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7847 @end example
7848
7849 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7850
7851 @example
7852 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7853 cout << e << endl;
7854  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7855 @end example
7856
7857 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7858 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7859 for your objects.
7860
7861 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7862
7863 @example
7864 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7865 cout << e << endl;
7866  // -> "Wow"^2
7867
7868 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7869 cout << e.expand() << endl;
7870  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7871 @end example
7872
7873 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7874 concatenation. You would have to implement this yourself.
7875
7876 @subsection Automatic evaluation
7877
7878 @cindex evaluation
7879 @cindex @code{eval()}
7880 @cindex @code{hold()}
7881 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7882 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7883 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7884 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7885 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7886 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7887
7888 @example
7889 class mystring : public basic
7890 @{
7891     ...
7892 public:
7893     ex eval(int level = 0) const;
7894     ...
7895 @};
7896
7897 ex mystring::eval(int level) const
7898 @{
7899     string new_str;
7900     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7901         char c = str[i];
7902         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7903             new_str += tolower(c);
7904         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7905             new_str += c;
7906     @}
7907
7908     if (new_str.length() == 0)
7909         return 0;
7910     else
7911         return mystring(new_str).hold();
7912 @}
7913 @end example
7914
7915 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7916 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7917 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7918 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7919 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7920 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7921 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7922 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7923
7924 Let's confirm that it works:
7925
7926 @example
7927 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7928 cout << e << endl;
7929  // -> "helloworld"
7930
7931 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7932 cout << e << endl;
7933  // -> 3*"wow"
7934 @end example
7935
7936 @subsection Optional member functions
7937
7938 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7939 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7940 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7941
7942 @cindex @code{calchash()}
7943 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7944 @example
7945 unsigned calchash() const;
7946 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7947 @end example
7948
7949 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7950 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7951 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7952 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7953 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7954 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7955
7956 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7957 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7958 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7959 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7960
7961 @subsection Other member functions
7962
7963 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7964 might want to provide:
7965
7966 @example
7967 bool info(unsigned inf) const;
7968 ex evalf(int level = 0) const;
7969 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7970 ex derivative(const symbol & s) const;
7971 @end example
7972
7973 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7974 previous section) you will probably want to override
7975
7976 @cindex @code{let_op()}
7977 @example
7978 size_t nops() cont;
7979 ex op(size_t i) const;
7980 ex & let_op(size_t i);
7981 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7982 ex map(map_function & f) const;
7983 @end example
7984
7985 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7986 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7987 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7988
7989 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7990 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7991 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7992 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7993 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7994 should become a need.
7995
7996 That's it. May the source be with you!
7997
7998
7999 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8000 @c    node-name, next, previous, up
8001 @chapter A Comparison With Other CAS
8002 @cindex advocacy
8003
8004 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8005 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8006 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8007 disadvantages over these systems.
8008
8009 @menu
8010 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8011 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8012 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8013 @end menu
8014
8015 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8016 @c    node-name, next, previous, up
8017 @section Advantages
8018
8019 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8020 Algebra Systems, like 
8021
8022 @itemize @bullet
8023
8024 @item
8025 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8026 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8027 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8028 in common C++, which is standardized.
8029
8030 @cindex STL
8031 @item
8032 structured data types: you can build up structured data types using
8033 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8034 using unnamed lists of lists of lists.
8035
8036 @item
8037 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8038 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8039 nice for novice programmers, but dangerous.
8040     
8041 @item
8042 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8043 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8044 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8045
8046 @item
8047 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8048 separating interface and implementation.
8049
8050 @item
8051 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8052 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8053 C++-compilers for free, too.
8054     
8055 @item
8056 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8057 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8058 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8059 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8060 fix bugs in a traditional system.
8061
8062 @item
8063 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8064 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8065 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8066 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8067 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8068 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8069 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8070 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8071 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8072 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8073 FTP-site.
8074
8075 @item
8076 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8077 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8078 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8079 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8080 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8081 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8082 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8083 system (i.e. @emph{Yacas}).
8084
8085 @item
8086 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8087 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8088 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8089 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8090 speed with other CAS.
8091
8092 @end itemize
8093
8094
8095 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8096 @c    node-name, next, previous, up
8097 @section Disadvantages
8098
8099 Of course it also has some disadvantages:
8100
8101 @itemize @bullet
8102
8103 @item
8104 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8105 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8106 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8107 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8108 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8109 not planned for the near future).
8110
8111 @item
8112 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8113 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8114 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8115 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8116 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8117 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8118 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8119 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8120 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8121 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8122 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8123 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8124 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8125 yet ANSI compliant, support all needed features.
8126     
8127 @end itemize
8128
8129
8130 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8131 @c    node-name, next, previous, up
8132 @section Why C++?
8133
8134 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8135 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8136 possible), separation between interface and implementation is not
8137 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8138 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8139 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8140 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8141 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8142 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8143 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8144 any other programming language.
8145
8146
8147 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8148 @c    node-name, next, previous, up
8149 @appendix Internal Structures
8150
8151 @menu
8152 * Expressions are reference counted::
8153 * Internal representation of products and sums::
8154 @end menu
8155
8156 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8157 @c    node-name, next, previous, up
8158 @appendixsection Expressions are reference counted
8159
8160 @cindex reference counting
8161 @cindex copy-on-write
8162 @cindex garbage collection
8163 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8164 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8165 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8166 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8167 skip the rest of this passage.
8168
8169 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8170 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8171 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8172 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8173 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8174 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8175 of code:
8176
8177 @example
8178 #include <iostream>
8179 #include <ginac/ginac.h>
8180 using namespace std;
8181 using namespace GiNaC;
8182
8183 int main()
8184 @{
8185     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8186     ex e1, e2;
8187
8188     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8189     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8190     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8191     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8192     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8193 @}
8194 @end example
8195
8196 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8197 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8198 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8199 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8200 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8201 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8202 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8203 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8204 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8205 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8206 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8207 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8208 can be:
8209
8210 @example
8211 @{
8212     symbol x("x"), y("y");
8213
8214     ex e1 = x + 3*y;
8215     ex e2 = pow(e1, 3);
8216     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8217     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8218          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8219          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8220 @}
8221 @end example
8222
8223 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8224 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8225 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8226 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8227 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8228 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8229 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8230 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8231 @code{3*e1^2}.
8232
8233 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8234 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8235 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8236 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8237 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8238 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8239 semantics, we recommend you have a look at the
8240 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8241 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8242 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8243
8244
8245 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8246 @c    node-name, next, previous, up
8247 @appendixsection Internal representation of products and sums
8248
8249 @cindex representation
8250 @cindex @code{add}
8251 @cindex @code{mul}
8252 @cindex @code{power}
8253 Although it should be completely transparent for the user of
8254 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8255 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8256 unexpanded symbolic expression 
8257 @tex
8258 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8259 @end tex
8260 @ifnottex
8261 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8262 @end ifnottex
8263 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8264 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8265 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8266 fashion:
8267
8268 @image{repnaive}
8269
8270 @cindex pair-wise representation
8271 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8272 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8273 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8274 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8275 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8276 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8277 becomes much more flat:
8278
8279 @image{reppair}
8280
8281 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8282 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8283 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8284 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8285 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8286 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8287 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8288 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8289 representation, however, since they are still carrying a trivial
8290 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8291 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8292 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8293 representation for
8294 @tex
8295 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8296 @end tex
8297 @ifnottex
8298 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8299 @end ifnottex
8300
8301 @image{repreal}
8302
8303 @cindex radical
8304 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8305 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8306 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8307 same abstract class: the data representation is the same, only the
8308 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8309 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8310 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8311
8312
8313 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8314 @c    node-name, next, previous, up
8315 @appendix Package Tools
8316
8317 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8318 setting the correct command line options for the compiler and linker
8319 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8320
8321 @menu
8322 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8323 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8324 @end menu
8325
8326
8327 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8328 @c    node-name, next, previous, up
8329 @section @command{ginac-config}
8330 @cindex ginac-config
8331
8332 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8333 the compiler and linker command line options required to compile and
8334 link a program with the GiNaC library.
8335
8336 @command{ginac-config} takes the following flags:
8337
8338 @table @samp
8339 @item --version
8340 Prints out the version of GiNaC installed.
8341 @item --cppflags
8342 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8343 @item --libs
8344 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8345 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8346 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8347 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8348 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8349 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8350 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8351 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8352 @end table
8353
8354 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8355 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8356 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8357 example:
8358
8359 @example
8360 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8361 @end example
8362
8363 This command line might expand to (for example):
8364
8365 @example
8366 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8367   -lginac -lcln -lstdc++
8368 @end example
8369
8370 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8371 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8372
8373
8374 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8375 @c    node-name, next, previous, up
8376 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8377 @cindex AM_PATH_GINAC
8378
8379 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8380 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8381
8382 @example
8383 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8384               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8385 @end example
8386
8387 This macro:
8388
8389 @itemize @bullet
8390
8391 @item
8392 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8393 either found in the user's path, or from the environment variable
8394 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8395
8396 @item
8397 Tests the installed libraries to make sure that their version
8398 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8399 if not specified)
8400
8401 @item
8402 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8403 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8404 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8405 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8406 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8407
8408 @item
8409 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8410 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8411
8412 @end itemize
8413
8414 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8415 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8416 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8417 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8418 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8419
8420 @menu
8421 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8422 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8423 @end menu
8424
8425
8426 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8427 @c    node-name, next, previous, up
8428 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8429
8430 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8431 the configure script.
8432
8433 Notes:
8434
8435 @itemize @bullet
8436
8437 @item
8438 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8439 to be found by your system's dynamic linker.
8440   
8441 This is generally done by
8442
8443 @display
8444 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8445 @end display
8446
8447 or by
8448    
8449 @display
8450 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8451 @end display
8452
8453 or, as a last resort, 
8454  
8455 @display
8456 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8457 running configure, for instance:
8458
8459 @example
8460 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8461 @end example
8462 @end display
8463
8464 @item
8465 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8466 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8467 name of the executable
8468
8469 @item
8470 If you move the GiNaC package from its installed location,
8471 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8472 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8473
8474 @end itemize
8475
8476 Advanced note:
8477
8478 @itemize @bullet
8479 @item
8480 configure flags
8481   
8482 @example
8483 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8484 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8485 @end example
8486
8487 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8488 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8489 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8490 @end itemize
8491
8492
8493 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8494 @c    node-name, next, previous, up
8495 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8496
8497 The following shows how to build a simple package using automake
8498 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8499
8500 @example
8501 #include <iostream>
8502 #include <ginac/ginac.h>
8503
8504 int main()
8505 @{
8506     GiNaC::symbol x("x");
8507     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8508     std::cout << "Derivative of " << a 
8509               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8510     return 0;
8511 @}
8512 @end example
8513
8514 You should first read the introductory portions of the automake
8515 Manual, if you are not already familiar with it.
8516
8517 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8518 configure script:
8519
8520 @example
8521 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8522 AC_INIT(simple.cpp)
8523 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8524
8525 AC_PROG_CXX
8526 AC_PROG_INSTALL
8527 AC_LANG_CPLUSPLUS
8528
8529 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8530   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8531   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8532 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8533
8534 AC_OUTPUT(Makefile)
8535 @end example
8536
8537 The only command in this which is not standard for automake
8538 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8539
8540 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8541 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8542 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8543 the error message `need to have GiNaC installed'
8544
8545 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8546
8547 @example
8548 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8549 bin_PROGRAMS = simple
8550 simple_SOURCES = simple.cpp
8551 @end example
8552
8553 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8554 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8555 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8556 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8557 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8558 adding the lines:
8559
8560 @example
8561 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8562 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8563 @end example
8564
8565 to the @file{Makefile.am}.
8566
8567 To try this example out, create a new directory and add the three
8568 files above to it.
8569
8570 Now execute the following commands:
8571
8572 @example
8573 $ automake --add-missing
8574 $ aclocal
8575 $ autoconf
8576 @end example
8577
8578 You now have a package that can be built in the normal fashion
8579
8580 @example
8581 $ ./configure
8582 $ make
8583 $ make install
8584 @end example
8585
8586
8587 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8588 @c    node-name, next, previous, up
8589 @appendix Bibliography
8590
8591 @itemize @minus{}
8592
8593 @item
8594 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8595
8596 @item
8597 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8598
8599 @item
8600 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8601
8602 @item
8603 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8604
8605 @item
8606 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8607 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8608
8609 @item
8610 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8611 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8612 Academic Press, London
8613
8614 @item
8615 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8616 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8617
8618 @item
8619 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8620 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8621
8622 @item
8623 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8624 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8625
8626 @item
8627 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8628
8629 @end itemize
8630
8631
8632 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8633 @c    node-name, next, previous, up
8634 @unnumbered Concept Index
8635
8636 @printindex cp
8637
8638 @bye