]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
* Sync to HEAD (new functions sub_matrix() and reduced_matrix).
[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, Bruno Haible's library
485 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
486 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
487 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
488 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
489 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
490 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
491 it will refuse to continue.
492
493
494 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
495 @c    node-name, next, previous, up
496 @section Configuration
497 @cindex configuration
498 @cindex Autoconf
499
500 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
501 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
502 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
503 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
504 prompts, all customization must be done either via command line
505 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
506 the complete set of which can be listed by calling it with the
507 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
508 described in what follows:
509
510 @itemize @bullet
511
512 @item
513 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
514 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
515 when developing because it considerably speeds up compilation.
516
517 @item
518 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
519 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
520 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
521 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
522 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
523
524 @item
525 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
526 the library installed in some other directory than
527 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
528
529 @item
530 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
531 to have the header files installed in some other directory than
532 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
533 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
534 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
535 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
536 keep the header files separated from others.  This avoids some
537 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
538 to be considered A Good Thing (tm).
539
540 @item
541 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
542 want to have the documentation installed in some other directory than
543 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
544
545 @end itemize
546
547 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
548 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
549 override the default in your path.  (The @command{configure} script
550 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
551 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
552 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
553 environment variable, like optimization, debugging information and
554 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
555 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
556 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
557 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
558 must generate @command{configure} along with the various
559 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
560 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
561
562 The whole process is illustrated in the following two
563 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
564 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
565 your login shell.)
566
567 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
568 everything is in default paths:
569
570 @example
571 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
572 $ ./configure
573 @end example
574
575 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
576 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
577 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
578 debugging information are switched on:
579
580 @example
581 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
582 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
583 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
584 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
585 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
586 @end example
587
588
589 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
590 @c    node-name, next, previous, up
591 @section Building GiNaC
592 @cindex building GiNaC
593
594 After proper configuration you should just build the whole
595 library by typing
596 @example
597 $ make
598 @end example
599 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
600 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
601 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
602 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
603
604 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
605 regression tests by typing
606
607 @example
608 $ make check
609 @end example
610
611 This will compile some sample programs, run them and check the output
612 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
613 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
614 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
615 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
616 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
617 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
618 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
619 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
620 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
621 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
622 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
623 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
624 to fiddle around with optimization.
625
626 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
627 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
628 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
629
630 @example
631 $ make html
632 $ make dvi
633 $ make ps
634 $ make pdf
635 @end example
636
637 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
638 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
639 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
640 @var{target} there in case something went wrong.
641
642
643 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
644 @c    node-name, next, previous, up
645 @section Installing GiNaC
646 @cindex installation
647
648 To install GiNaC on your system, simply type
649
650 @example
651 $ make install
652 @end example
653
654 As described in the section about configuration the files will be
655 installed in the following directories (the directories will be created
656 if they don't already exist):
657
658 @itemize @bullet
659
660 @item
661 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
662 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
663 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
664 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
665 will be established as well.
666
667 @item
668 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
669 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
670
671 @item
672 All documentation (info) will be stuffed into
673 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
674 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
675
676 @end itemize
677
678 For the sake of completeness we will list some other useful make
679 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
680 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
681 distclean} removes all files generated by the configuration and
682 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
683 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
684 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
685 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
686 work after you have called @command{make distclean} since the
687 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
688 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
689 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
690 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
691 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
692 do it by hand since you now know where all the files went during
693 installation.}.
694
695
696 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
697 @c    node-name, next, previous, up
698 @chapter Basic Concepts
699
700 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
701 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
702 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
703 meta-class for storing all mathematical objects.
704
705 @menu
706 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
707 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
708 * Error handling::               How the library reports errors.
709 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
710 * Symbols::                      Symbolic objects.
711 * Numbers::                      Numerical objects.
712 * Constants::                    Pre-defined constants.
713 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
714 * Lists::                        Lists of expressions.
715 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
716 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
717 * Integrals::                    Symbolic integrals.
718 * Matrices::                     Matrices.
719 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
720 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
721 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
722 @end menu
723
724
725 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
726 @c    node-name, next, previous, up
727 @section Expressions
728 @cindex expression (class @code{ex})
729 @cindex @code{has()}
730
731 The most common class of objects a user deals with is the expression
732 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
733 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
734 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
735 little collection of valid expressions:
736
737 @example
738 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
739 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
740 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
741 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
742 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
743 @end example
744
745 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
746 contain other expressions thus creating a tree of expressions
747 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
748 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
749 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
750 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
751 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
752 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
753
754 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
755 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
756 @code{ex}.
757
758 @subsection Note: Expressions and STL containers
759
760 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
761 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
762 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
763 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
764
765 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
766 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
767 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
768 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
769 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
770
771 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
772 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
773
774 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
775 expressions.
776
777
778 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
779 @c    node-name, next, previous, up
780 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
781 @cindex evaluation
782
783 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
784 them and put them into a canonical form. Some examples:
785
786 @example
787 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
788 ex MyEx2 = x - x;        // 0
789 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
790 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
791 @end example
792
793 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
794 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
795
796 @itemize @bullet
797 @item
798 at most of complexity
799 @tex
800 $O(n\log n)$
801 @end tex
802 @ifnottex
803 @math{O(n log n)}
804 @end ifnottex
805 @item
806 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
807 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
808 @end itemize
809
810 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
811 behave in an entirely obvious way at first glance:
812
813 @itemize
814 @item
815 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
816 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
817 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
818 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
819 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
820 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
821 canonical form.
822 @item
823 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
824 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
825 example
826 @example
827 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
828 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
829 @end example
830 @end itemize
831
832 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
833 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
834 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
835 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
836 some immediate simplifications.
837
838 @cindex @code{eval()}
839 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
840
841 @example
842 ex ex::eval(int level = 0) const;
843 ex basic::eval(int level = 0) const;
844 @end example
845
846 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
847 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
848 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
849 re-evaluate their results.
850
851
852 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
853 @c    node-name, next, previous, up
854 @section Error handling
855 @cindex exceptions
856 @cindex @code{pole_error} (class)
857
858 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
859 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
860 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
861 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
862 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
863 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
864 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
865 at a singularity.
866
867 The @code{pole_error} class has a member function
868
869 @example
870 int pole_error::degree() const;
871 @end example
872
873 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
874 logarithmic or the order is undefined).
875
876 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
877 the main program even if you don't want to do any special error handling.
878 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
879 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
880 usually only aborts the program without giving any information what went
881 wrong.
882
883 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
884 exceptions generated by GiNaC:
885
886 @example
887 #include <iostream>
888 #include <stdexcept>
889 #include <ginac/ginac.h>
890 using namespace std;
891 using namespace GiNaC;
892
893 int main()
894 @{
895     try @{
896         ...
897         // code using GiNaC
898         ...
899     @} catch (exception &p) @{
900         cerr << p.what() << endl;
901         return 1;
902     @}
903     return 0;
904 @}
905 @end example
906
907
908 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
909 @c    node-name, next, previous, up
910 @section The Class Hierarchy
911
912 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
913 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
914 helpers) are internally derived from one abstract base class called
915 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
916 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
917 containers of expressions and so on.
918
919 @cindex container
920 @cindex atom
921 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
922 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
923 some of the relations among the classes:
924
925 @image{classhierarchy}
926
927 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
928 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
929 duplication if two or more classes derived from them share certain
930 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
931 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
932 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
933 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
934 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
935 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
936 are stored in the different classes:
937
938 @cartouche
939 @multitable @columnfractions .22 .78
940 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
941 @item @code{constant} @tab Constants like 
942 @tex
943 $\pi$
944 @end tex
945 @ifnottex
946 @math{Pi}
947 @end ifnottex
948 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
949 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
950 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
951 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
952 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
953 @tex
954 $\sqrt{2}$
955 @end tex
956 @ifnottex
957 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
958 @end ifnottex
959 @dots{}
960 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
961 @item @code{function} @tab A symbolic function like
962 @tex
963 $\sin 2x$
964 @end tex
965 @ifnottex
966 @math{sin(2*x)}
967 @end ifnottex
968 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
969 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
970 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
971 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
972 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
973 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
974 @item @code{varidx} @tab Index with variance
975 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
976 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
977 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
978 @end multitable
979 @end cartouche
980
981
982 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
983 @c    node-name, next, previous, up
984 @section Symbols
985 @cindex @code{symbol} (class)
986 @cindex hierarchy of classes
987
988 @cindex atom
989 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
990 manipulation what atoms are for chemistry.
991
992 A typical symbol definition looks like this:
993 @example
994 symbol x("x");
995 @end example
996
997 This definition actually contains three very different things:
998 @itemize
999 @item a C++ variable named @code{x}
1000 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1001   represents the symbol in a GiNaC expression
1002 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1003   exclusively for printing expressions holding the symbol
1004 @end itemize
1005
1006 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1007 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1008 throws them away during compilation.
1009
1010 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1011 @example
1012 symbol x;
1013 @end example
1014
1015 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1016 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1017 the output of your calculations will become more readable if you give your
1018 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1019 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1020
1021 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1022 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1023 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1024 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1025 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1026 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1027 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1028 indeterminate.
1029
1030 Observe:
1031 @example
1032 ex f(int n)
1033 @{
1034     symbol x("x");
1035     return pow(x, n);
1036 @}
1037
1038 int main()
1039 @{
1040     symbol x("x");
1041     ex e = f(6);
1042
1043     cout << e << endl;
1044      // prints "x^6" which looks right, but...
1045
1046     cout << e.degree(x) << endl;
1047      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1048      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1049      // prints "0".
1050 @}
1051 @end example
1052
1053 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1054 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1055 @example
1056 ex f(int n, const ex & x)
1057 @{
1058     return pow(x, n);
1059 @}
1060
1061 int main()
1062 @{
1063     symbol x("x");
1064
1065     // Now, f() uses the same symbol.
1066     ex e = f(6, x);
1067
1068     cout << e.degree(x) << endl;
1069      // prints "6", as expected
1070 @}
1071 @end example
1072
1073 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1074 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1075 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1076 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1077 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1078 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1079 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1080 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1081 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1082 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1083 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1084
1085 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1086 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1087 like this one:
1088 @example
1089 const symbol & get_symbol(const string & s)
1090 @{
1091     static map<string, symbol> directory;
1092     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1093     if (i != directory.end())
1094         return i->second;
1095     else
1096         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1097 @}
1098 @end example
1099
1100 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1101 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1102 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1103 this:
1104 @example
1105 ex f(int n)
1106 @{
1107     return pow(get_symbol("x"), n);
1108 @}
1109
1110 int main()
1111 @{
1112     ex e = f(6);
1113
1114     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1115     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1116      // prints "6"
1117 @}
1118 @end example
1119
1120 Instead of creating symbols from strings we could also have
1121 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1122 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1123 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1124 @code{ostringstream}.
1125
1126 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1127 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1128 definitions.
1129
1130 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1131 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1132 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1133 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1134
1135 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1136 in LaTeX output:
1137 @example
1138 symbol x("x", "\\Box");
1139 @end example
1140
1141 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1142 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1143 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1144 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1145 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1146
1147 @cindex @code{subs()}
1148 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1149 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1150 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1151 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1152 (@pxref{Substituting Expressions}).
1153
1154 @cindex @code{realsymbol()}
1155 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1156 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1157 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1158 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1159 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1160 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1161 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1162 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1163 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1164
1165
1166 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1167 @c    node-name, next, previous, up
1168 @section Numbers
1169 @cindex @code{numeric} (class)
1170
1171 @cindex GMP
1172 @cindex CLN
1173 @cindex rational
1174 @cindex fraction
1175 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1176 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1177 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1178 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1179 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1180 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1181 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1182 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1183 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1184 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1185 several useful things: First, it introduces the complex number field
1186 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1187 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1188 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1189 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1190 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1191 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1192 calculation of some useful constants.
1193
1194 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1195 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1196 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1197 integers, construction from C-float and construction from a string:
1198
1199 @example
1200 #include <iostream>
1201 #include <ginac/ginac.h>
1202 using namespace GiNaC;
1203
1204 int main()
1205 @{
1206     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1207     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1208     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1209     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1210     // Trott's constant in scientific notation:
1211     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1212     
1213     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1214     ...
1215 @end example
1216
1217 @cindex @code{I}
1218 @cindex complex numbers
1219 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1220 name @code{I}:
1221
1222 @example
1223     ...
1224     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1225     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1226 @}
1227 @end example
1228
1229 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1230 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1231 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1232 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1233 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1234 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1235 also.
1236
1237 @cindex @code{Digits}
1238 @cindex accuracy
1239 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1240 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1241 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1242 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1243 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1244 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1245 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1246 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1247 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1248 digits:
1249
1250 @example
1251 #include <iostream>
1252 #include <ginac/ginac.h>
1253 using namespace std;
1254 using namespace GiNaC;
1255
1256 void foo()
1257 @{
1258     numeric three(3.0), one(1.0);
1259     numeric x = one/three;
1260
1261     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1262     cout << x << endl;
1263     cout << Pi.evalf() << endl;
1264 @}
1265
1266 int main()
1267 @{
1268     foo();
1269     Digits = 60;
1270     foo();
1271     return 0;
1272 @}
1273 @end example
1274
1275 The above example prints the following output to screen:
1276
1277 @example
1278 in 17 digits:
1279 0.33333333333333333334
1280 3.1415926535897932385
1281 in 60 digits:
1282 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1283 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1284 @end example
1285
1286 @cindex rounding
1287 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1288 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1289 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1290 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1291 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1292 architectures with different word size, the above output might even
1293 differ with regard to actually computed digits.
1294
1295 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1296 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1297 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1298
1299 @subsection Tests on numbers
1300
1301 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1302 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1303 kind of information from them like asking whether that number is
1304 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1305 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1306 certain CLN functions.)
1307
1308 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1309 some multiple of its denominator and test what comes out:
1310
1311 @example
1312 #include <iostream>
1313 #include <ginac/ginac.h>
1314 using namespace std;
1315 using namespace GiNaC;
1316
1317 // some very important constants:
1318 const numeric twentyone(21);
1319 const numeric ten(10);
1320 const numeric five(5);
1321
1322 int main()
1323 @{
1324     numeric answer = twentyone;
1325
1326     answer /= five;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1328     answer *= ten;
1329     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1330 @}
1331 @end example
1332
1333 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1334 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1335 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1336 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1337 the result is automatically converted to a pure integer again.
1338 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1339 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1340 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1341 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1342 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1343 can be applied is listed in the following table.
1344
1345 @cartouche
1346 @multitable @columnfractions .30 .70
1347 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1348 @item @code{.is_zero()}
1349 @tab @dots{}equal to zero
1350 @item @code{.is_positive()}
1351 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1352 @item @code{.is_integer()}
1353 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1354 @item @code{.is_pos_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1356 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1357 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1358 @item @code{.is_even()}
1359 @tab @dots{}an even integer
1360 @item @code{.is_odd()}
1361 @tab @dots{}an odd integer
1362 @item @code{.is_prime()}
1363 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1364 @item @code{.is_rational()}
1365 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1366 @item @code{.is_real()}
1367 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1368 @item @code{.is_cinteger()}
1369 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1370 @item @code{.is_crational()}
1371 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1372 @end multitable
1373 @end cartouche
1374
1375 @subsection Numeric functions
1376
1377 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1378 evaluated immediately:
1379
1380 @cartouche
1381 @multitable @columnfractions .30 .70
1382 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1383 @item @code{inverse(z)}
1384 @tab returns @math{1/z}
1385 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1386 @item @code{pow(a, b)}
1387 @tab exponentiation @math{a^b}
1388 @item @code{abs(z)}
1389 @tab absolute value
1390 @item @code{real(z)}
1391 @tab real part
1392 @cindex @code{real()}
1393 @item @code{imag(z)}
1394 @tab imaginary part
1395 @cindex @code{imag()}
1396 @item @code{csgn(z)}
1397 @tab complex sign (returns an @code{int})
1398 @item @code{numer(z)}
1399 @tab numerator of rational or complex rational number
1400 @item @code{denom(z)}
1401 @tab denominator of rational or complex rational number
1402 @item @code{sqrt(z)}
1403 @tab square root
1404 @item @code{isqrt(n)}
1405 @tab integer square root
1406 @cindex @code{isqrt()}
1407 @item @code{sin(z)}
1408 @tab sine
1409 @item @code{cos(z)}
1410 @tab cosine
1411 @item @code{tan(z)}
1412 @tab tangent
1413 @item @code{asin(z)}
1414 @tab inverse sine
1415 @item @code{acos(z)}
1416 @tab inverse cosine
1417 @item @code{atan(z)}
1418 @tab inverse tangent
1419 @item @code{atan(y, x)}
1420 @tab inverse tangent with two arguments
1421 @item @code{sinh(z)}
1422 @tab hyperbolic sine
1423 @item @code{cosh(z)}
1424 @tab hyperbolic cosine
1425 @item @code{tanh(z)}
1426 @tab hyperbolic tangent
1427 @item @code{asinh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic sine
1429 @item @code{acosh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic cosine
1431 @item @code{atanh(z)}
1432 @tab inverse hyperbolic tangent
1433 @item @code{exp(z)}
1434 @tab exponential function
1435 @item @code{log(z)}
1436 @tab natural logarithm
1437 @item @code{Li2(z)}
1438 @tab dilogarithm
1439 @item @code{zeta(z)}
1440 @tab Riemann's zeta function
1441 @item @code{tgamma(z)}
1442 @tab gamma function
1443 @item @code{lgamma(z)}
1444 @tab logarithm of gamma function
1445 @item @code{psi(z)}
1446 @tab psi (digamma) function
1447 @item @code{psi(n, z)}
1448 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1449 @item @code{factorial(n)}
1450 @tab factorial function @math{n!}
1451 @item @code{doublefactorial(n)}
1452 @tab double factorial function @math{n!!}
1453 @cindex @code{doublefactorial()}
1454 @item @code{binomial(n, k)}
1455 @tab binomial coefficients
1456 @item @code{bernoulli(n)}
1457 @tab Bernoulli numbers
1458 @cindex @code{bernoulli()}
1459 @item @code{fibonacci(n)}
1460 @tab Fibonacci numbers
1461 @cindex @code{fibonacci()}
1462 @item @code{mod(a, b)}
1463 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1464 @cindex @code{mod()}
1465 @item @code{smod(a, b)}
1466 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1467 @cindex @code{smod()}
1468 @item @code{irem(a, b)}
1469 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1470 @cindex @code{irem()}
1471 @item @code{irem(a, b, q)}
1472 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1473 @item @code{iquo(a, b)}
1474 @tab integer quotient
1475 @cindex @code{iquo()}
1476 @item @code{iquo(a, b, r)}
1477 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1478 @item @code{gcd(a, b)}
1479 @tab greatest common divisor
1480 @item @code{lcm(a, b)}
1481 @tab least common multiple
1482 @end multitable
1483 @end cartouche
1484
1485 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1486 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1487 as polynomial algorithms.
1488
1489 @subsection Converting numbers
1490
1491 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1492 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1493 class provides a couple of methods for this purpose:
1494
1495 @cindex @code{to_int()}
1496 @cindex @code{to_long()}
1497 @cindex @code{to_double()}
1498 @cindex @code{to_cl_N()}
1499 @example
1500 int numeric::to_int() const;
1501 long numeric::to_long() const;
1502 double numeric::to_double() const;
1503 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1504 @end example
1505
1506 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1507 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1508 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1509 rational number will return a floating-point approximation. Both
1510 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1511 part of complex numbers.
1512
1513
1514 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1515 @c    node-name, next, previous, up
1516 @section Constants
1517 @cindex @code{constant} (class)
1518
1519 @cindex @code{Pi}
1520 @cindex @code{Catalan}
1521 @cindex @code{Euler}
1522 @cindex @code{evalf()}
1523 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1524 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1525
1526 The predefined known constants are:
1527
1528 @cartouche
1529 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1530 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1531 @item @code{Pi}
1532 @tab Archimedes' constant
1533 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1534 @item @code{Catalan}
1535 @tab Catalan's constant
1536 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1537 @item @code{Euler}
1538 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1539 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1540 @end multitable
1541 @end cartouche
1542
1543
1544 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1545 @c    node-name, next, previous, up
1546 @section Sums, products and powers
1547 @cindex polynomial
1548 @cindex @code{add}
1549 @cindex @code{mul}
1550 @cindex @code{power}
1551
1552 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1553 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1554 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1555 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1556 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1557 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1558 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1559 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1560
1561 @example
1562     ...
1563     symbol a("a"), b("b");
1564     ex MyTerm = 1+a*b;
1565     ...
1566 @end example
1567
1568 @cindex @code{pow()}
1569 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1570 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1571 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1572 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1573 have several counterintuitive and undesired effects:
1574
1575 @itemize @bullet
1576 @item
1577 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1578 @item
1579 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1580 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1581 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1582 @item
1583 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1584 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1585 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1586 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1587 has requested @code{2^3}.)
1588 @end itemize
1589
1590 @cindex @command{ginsh}
1591 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1592 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1593 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1594 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1595 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1596 not exist at all in C++).
1597
1598 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1599 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1600 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1601 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1602 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1603 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1604 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1605 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1606 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1607 @code{x} negative.
1608
1609 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1610 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1611 and safe simplifications are carried out like transforming
1612 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1613
1614
1615 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1616 @c    node-name, next, previous, up
1617 @section Lists of expressions
1618 @cindex @code{lst} (class)
1619 @cindex lists
1620 @cindex @code{nops()}
1621 @cindex @code{op()}
1622 @cindex @code{append()}
1623 @cindex @code{prepend()}
1624 @cindex @code{remove_first()}
1625 @cindex @code{remove_last()}
1626 @cindex @code{remove_all()}
1627
1628 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1629 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1630 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1631 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1632 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1633
1634 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1635 expressions:
1636
1637 @example
1638 @{
1639     symbol x("x"), y("y");
1640     lst l;
1641     l = x, 2, y, x+y;
1642     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1643     // in that order
1644     ...
1645 @end example
1646
1647 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1648 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1649
1650 @example
1651     ...
1652     // This produces the same list 'l' as above:
1653     // lst l(x, 2, y, x+y);
1654     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1655     ...
1656 @end example
1657
1658 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1659 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1660 individual elements:
1661
1662 @example
1663     ...
1664     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1665     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1666     ...
1667 @end example
1668
1669 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1670 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1671 sequential access to the elements of a list is possible with the
1672 iterator types provided by the @code{lst} class:
1673
1674 @example
1675 typedef ... lst::const_iterator;
1676 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1677 lst::const_iterator lst::begin() const;
1678 lst::const_iterator lst::end() const;
1679 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1680 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1681 @end example
1682
1683 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // O(N)
1688     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1689         cout << *i << endl;
1690     ...
1691 @end example
1692
1693 which is one order faster than
1694
1695 @example
1696     ...
1697     // O(N^2)
1698     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1699         cout << l.op(i) << endl;
1700     ...
1701 @end example
1702
1703 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1704 the C++ standard library:
1705
1706 @example
1707     ...
1708     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1709     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1710
1711     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1712     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1713     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1714     ...
1715 @end example
1716
1717 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1718 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1719
1720 @example
1721     ...
1722     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1723     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1724     ...
1725 @end example
1726
1727 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1728 and @code{prepend()} methods:
1729
1730 @example
1731     ...
1732     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1733     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1738 and @code{remove_last()}:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1743     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1748
1749 @example
1750     ...
1751     l.remove_all();     // l is now empty
1752     ...
1753 @end example
1754
1755 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1756
1757 @example
1758     ...
1759     lst l1, l2;
1760     l1 = x, 2, y, x+y;
1761     l2 = 2, x+y, x, y;
1762     l1.sort();
1763     l2.sort();
1764     // l1 and l2 are now equal
1765     ...
1766 @end example
1767
1768 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1769 elements with @code{unique()}:
1770
1771 @example
1772     ...
1773     lst l3;
1774     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1775     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1776 @}
1777 @end example
1778
1779
1780 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1781 @c    node-name, next, previous, up
1782 @section Mathematical functions
1783 @cindex @code{function} (class)
1784 @cindex trigonometric function
1785 @cindex hyperbolic function
1786
1787 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1788 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1789 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1790
1791 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1792 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1793 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1794 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1795 the next example, showing how a function returns itself twice and
1796 finally an expression that may be really useful:
1797
1798 @cindex Gamma function
1799 @cindex @code{subs()}
1800 @example
1801     ...
1802     symbol x("x"), y("y");    
1803     ex foo = x+y/2;
1804     cout << tgamma(foo) << endl;
1805      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1806     ex bar = foo.subs(y==1);
1807     cout << tgamma(bar) << endl;
1808      // -> tgamma(x+1/2)
1809     ex foobar = bar.subs(x==7);
1810     cout << tgamma(foobar) << endl;
1811      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1812     ...
1813 @end example
1814
1815 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1816 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1817 this.
1818
1819 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1820 functions, where the argument list is templated.  This means that
1821 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1822 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1823 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1824 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1825 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1826 point number of class @code{numeric} you should call
1827 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1828 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1829 wrapped inside an @code{ex}.
1830
1831
1832 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1833 @c    node-name, next, previous, up
1834 @section Relations
1835 @cindex @code{relational} (class)
1836
1837 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1838 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1839 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1840 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1841 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1842 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1843
1844 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1845 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1846 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1847 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1848 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1849 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1850 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1851 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1852 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1853 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1854 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1855 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1856 @code{expand()} must be called explicitly.
1857
1858 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1859 @c    node-name, next, previous, up
1860 @section Integrals
1861 @cindex @code{integral} (class)
1862
1863 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1864 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1865 1, you would write this as
1866 @example
1867 integral(x, 0, 1, x*x)
1868 @end example
1869 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1870 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1871 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1872 can be evaluated symbolically by calling the
1873 @example
1874 .eval_integ()
1875 @end example
1876 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1877 @example
1878 .evalf()
1879 @end example
1880 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1881 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1882 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1883 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1884 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1885 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1886 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1887 integrals is determined by the static member variable
1888 @example
1889 ex integral::relative_integration_error
1890 @end example
1891 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1892 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1893 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1894 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1895 variable
1896 @example
1897 int integral::max_integration_level
1898 @end example
1899 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1900 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1901 evaluation, is also available as
1902 @example
1903 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1904 const ex & error)
1905 @end example
1906 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1907 last parameter of the function is optional and defaults to the
1908 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1909 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1910 a lookup table is used.
1911
1912 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1913 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1914 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1915 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1916 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1917 with respect to the integration variable.
1918
1919 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1920 @c    node-name, next, previous, up
1921 @section Matrices
1922 @cindex @code{matrix} (class)
1923
1924 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1925 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1926 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1927 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1928
1929 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1930 elements. The constructor
1931
1932 @example
1933 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1934 @end example
1935
1936 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1937 set to zero.
1938
1939 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1940 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1941 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1942
1943 @example
1944 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1945 @end example
1946
1947 The function
1948
1949 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1950 @example
1951 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1952 @end example
1953
1954 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1955
1956 There is also a set of functions for creating some special types of
1957 matrices:
1958
1959 @cindex @code{diag_matrix()}
1960 @cindex @code{unit_matrix()}
1961 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1962 @example
1963 ex diag_matrix(const lst & l);
1964 ex unit_matrix(unsigned x);
1965 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1966 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1967 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1968                    const string & tex_base_name);
1969 @end example
1970
1971 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1972 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1973 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1974 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1975 and the position of each element in the matrix.
1976
1977 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1978 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1979 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1980 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1981 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1982 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1983
1984 @cindex @code{sub_matrix()}
1985 @cindex @code{reduced_matrix()}
1986 @example
1987 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1988 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1989 @end example
1990
1991 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1992 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1993 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1994 that specify which row and column to remove:
1995
1996 @example
1997 @{
1998     matrix m(3,3);
1999     m = 11, 12, 13,
2000         21, 22, 23,
2001         31, 32, 33;
2002     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2003     // -> [[11,13],[31,33]]
2004     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2005     // -> [[22,23],[32,33]]
2006 @}
2007 @end example
2008
2009 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2010 operator:
2011
2012 @example
2013 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2014 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2015 @end example
2016
2017 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2018 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2019 @samp{[]} is not available.
2020
2021 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2022
2023 @example
2024 @{
2025     symbol a("a"), b("b");
2026
2027     matrix M(2, 2);
2028     M = a, 0,
2029         0, b;
2030     cout << M << endl;
2031      // -> [[a,0],[0,b]]
2032
2033     matrix M2(2, 2);
2034     M2(0, 0) = a;
2035     M2(1, 1) = b;
2036     cout << M2 << endl;
2037      // -> [[a,0],[0,b]]
2038
2039     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2040      // -> [[a,0],[0,b]]
2041
2042     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2043      // -> [[a,0],[0,b]]
2044
2045     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2046      // -> [[a,0],[0,b]]
2047
2048     cout << unit_matrix(3) << endl;
2049      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2050
2051     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2052      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2053 @}
2054 @end example
2055
2056 @cindex @code{transpose()}
2057 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2058 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2059
2060 @example
2061 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2063 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2064 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2065 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2066 matrix matrix::transpose() const;
2067 @end example
2068
2069 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2070 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2071 and @math{C}:
2072
2073 @example
2074 @{
2075     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2076     A =  1, 2,
2077          3, 4;
2078     B = -1, 0,
2079          2, 1;
2080     C =  8, 4,
2081          2, 1;
2082
2083     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2084     cout << result << endl;
2085      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2086     ...
2087 @}
2088 @end example
2089
2090 @cindex @code{evalm()}
2091 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2092 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2093 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2094 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2095 method
2096
2097 @example
2098 ex ex::evalm() const;
2099 @end example
2100
2101 to obtain the result:
2102
2103 @example
2104 @{
2105     ...
2106     ex e = A*B - 2*C;
2107     cout << e << endl;
2108      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2109     cout << e.evalm() << endl;
2110      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2111     ...
2112 @}
2113 @end example
2114
2115 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2116 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2117 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2118 dealing with non-commutative expressions.
2119
2120 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2121 to perform the arithmetic:
2122
2123 @example
2124 @{
2125     ...
2126     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2127     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2128     cout << e << endl;
2129      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2130     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2131      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2132 @}
2133 @end example
2134
2135 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2136 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2137 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2138 more information about using matrices with indices, and about indices in
2139 general.
2140
2141 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2142 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2143
2144 @cindex @code{determinant()}
2145 @cindex @code{trace()}
2146 @cindex @code{charpoly()}
2147 @cindex @code{rank()}
2148 @example
2149 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2150 ex matrix::trace() const;
2151 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2152 unsigned matrix::rank() const;
2153 @end example
2154
2155 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2156 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2157 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2158 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2159 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2160 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2161 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2162 quickly.
2163
2164 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2165 @cindex @code{solve()}
2166 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2167 method and linear systems may be solved with:
2168
2169 @example
2170 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2171                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2172 @end example
2173
2174 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2175 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2176 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2177 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2178 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2179 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2180 overdetermined, an exception is thrown.
2181
2182
2183 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2184 @c    node-name, next, previous, up
2185 @section Indexed objects
2186
2187 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2188 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2189 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2190 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2191
2192 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2193 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2194 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2195 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2196
2197 @cindex @code{idx} (class)
2198 @cindex @code{indexed} (class)
2199 @subsection Indexed quantities and their indices
2200
2201 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2202 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2203
2204 @itemize @bullet
2205
2206 @cindex contravariant
2207 @cindex covariant
2208 @cindex variance
2209 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2210 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2211 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2212 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2213 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2214 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2215
2216 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2217 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2218 one or more indices.
2219
2220 @end itemize
2221
2222 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2223 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2224 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2225 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2226 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2227 not visible in the output.
2228
2229 A simple example shall illustrate the concepts:
2230
2231 @example
2232 #include <iostream>
2233 #include <ginac/ginac.h>
2234 using namespace std;
2235 using namespace GiNaC;
2236
2237 int main()
2238 @{
2239     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2240     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2241
2242     symbol A("A");
2243     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i.j
2245     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2246      // -> A.i[3].j[3]
2247     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2248     ...
2249 @end example
2250
2251 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2252 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2253 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2254 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2255 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2256 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2257 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2258 @code{j}.
2259
2260 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2261 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2262 as shown above.
2263
2264 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2265 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2266 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2267 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2268 correct and will raise an exception:
2269
2270 @example
2271 symbol i("i"), j("j");
2272 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2273 @end example
2274
2275 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2276 be numeric, and index dimensions symbolic:
2277
2278 @example
2279     ...
2280     symbol B("B"), dim("dim");
2281     cout << 4 * indexed(A, i)
2282           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2283      // -> B.j.2.i+4*A.i
2284     ...
2285 @end example
2286
2287 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2288 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2289 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2290 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2291 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2292
2293 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2294 arbitrary expressions:
2295
2296 @example
2297     ...
2298     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2299      // -> (B+A).(1+2*i)
2300     ...
2301 @end example
2302
2303 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2304 get an error message from this but you will probably not be able to do
2305 anything useful with it.
2306
2307 @cindex @code{get_value()}
2308 @cindex @code{get_dimension()}
2309 The methods
2310
2311 @example
2312 ex idx::get_value();
2313 ex idx::get_dimension();
2314 @end example
2315
2316 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2317 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2318 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2319 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2320
2321 There are also the methods
2322
2323 @example
2324 bool idx::is_numeric();
2325 bool idx::is_symbolic();
2326 bool idx::is_dim_numeric();
2327 bool idx::is_dim_symbolic();
2328 @end example
2329
2330 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2331 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2332 About Expressions}) returns information about the index value.
2333
2334 @cindex @code{varidx} (class)
2335 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2336
2337 @example
2338     ...
2339     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2340     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2341     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2342
2343     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2344      // -> A~mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2348      // -> A.mu~nu
2349     ...
2350 @end example
2351
2352 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2353 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2354 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2355 constructor. The two methods
2356
2357 @example
2358 bool varidx::is_covariant();
2359 bool varidx::is_contravariant();
2360 @end example
2361
2362 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2363 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2364 method
2365
2366 @example
2367 ex varidx::toggle_variance();
2368 @end example
2369
2370 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2371 variance. By using it you only have to define the index once.
2372
2373 @cindex @code{spinidx} (class)
2374 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2375 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2376
2377 @example
2378     ...
2379     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2380     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2381                                             // contravariant, undotted
2382     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2383     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2384     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2385
2386     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2387      // -> K~C~D
2388     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2389      // -> K.C~*D
2390     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2391      // -> K.*D~D
2392     ...
2393 @end example
2394
2395 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2396 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2397 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2398 methods
2399
2400 @example
2401 bool spinidx::is_dotted();
2402 bool spinidx::is_undotted();
2403 @end example
2404
2405 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2406 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2407 Finally, the two methods
2408
2409 @example
2410 ex spinidx::toggle_dot();
2411 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2412 @end example
2413
2414 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2415 and the same or opposite variance.
2416
2417 @subsection Substituting indices
2418
2419 @cindex @code{subs()}
2420 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2421 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2422 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2423 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2424
2425 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2426 by another index or expression:
2427
2428 @example
2429     ...
2430     ex e = indexed(A, mu_co);
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~nu
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A~0
2435     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2436      // -> A.mu becomes A.0
2437     ...
2438 @end example
2439
2440 The third example shows that trying to replace an index with something that
2441 is not an index will substitute the index value instead.
2442
2443 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2444 another expression:
2445
2446 @example
2447     ...
2448     ex e = indexed(A, mu_co);
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.nu
2451     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2452      // -> A.mu becomes A.0
2453     ...
2454 @end example
2455
2456 As you see, with the second method only the value of the index will get
2457 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2458 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2459 whole index by another one with the new dimension.
2460
2461 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2462 expected:
2463
2464 @example
2465     ...
2466     ex e = indexed(A, mu_co);
2467     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2468      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2469     ...
2470 @end example
2471
2472 @subsection Symmetries
2473 @cindex @code{symmetry} (class)
2474 @cindex @code{sy_none()}
2475 @cindex @code{sy_symm()}
2476 @cindex @code{sy_anti()}
2477 @cindex @code{sy_cycl()}
2478
2479 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2480 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2481 that is constructed with the helper functions
2482
2483 @example
2484 symmetry sy_none(...);
2485 symmetry sy_symm(...);
2486 symmetry sy_anti(...);
2487 symmetry sy_cycl(...);
2488 @end example
2489
2490 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2491 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2492 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2493 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2494 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2495 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2496 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2497 all indices.
2498
2499 Here are some examples of symmetry definitions:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     // No symmetry:
2504     e = indexed(A, i, j);
2505     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2506     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2507
2508     // Symmetric in all three indices:
2509     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2510     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2511     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2512                                                // different canonical order
2513
2514     // Symmetric in the first two indices only:
2515     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2516     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2517
2518     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2519     // be contiguous):
2520     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2521     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2522
2523     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2524     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2525     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2526     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2527
2528     // Cyclic symmetry in all three indices:
2529     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2530     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2531
2532     // The following examples are invalid constructions that will throw
2533     // an exception at run time.
2534
2535     // An index may not appear multiple times:
2536     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2537     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2538
2539     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2540     // same number of indices:
2541     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2542
2543     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2544     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2545     ...
2546 @end example
2547
2548 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2549 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2550 full symmetry in the first six indices you would write
2551 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2552
2553 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2554 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2559           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2560      // -> 2*A.j.i
2561     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2562           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2563      // -> 0
2564     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2565           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2566      // -> 0
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 @cindex @code{get_free_indices()}
2571 @cindex dummy index
2572 @subsection Dummy indices
2573
2574 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2575 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2576 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2577 dummy nor free indices.
2578
2579 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2580 class and their value must be the same single symbol (an index like
2581 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2582 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2583 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2584
2585 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2586 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2587 of a sum are consistent:
2588
2589 @example
2590 @{
2591     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2592
2593     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2594     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2595
2596     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2597     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2598      // -> (.i,.k)
2599      // 'j' and 'l' are dummy indices
2600
2601     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2602     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2603
2604     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2605       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2606     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2607      // -> (~mu,~rho)
2608      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2609
2610     e = indexed(A, mu, mu);
2611     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2612      // -> (~mu)
2613      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2614      // variance
2615
2616     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2617     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2618      // this will throw an exception:
2619      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2620 @}
2621 @end example
2622
2623 @cindex @code{simplify_indexed()}
2624 @subsection Simplifying indexed expressions
2625
2626 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2627 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2628 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2629 there is the method
2630
2631 @example
2632 ex ex::simplify_indexed();
2633 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2634 @end example
2635
2636 that performs some more expensive operations:
2637
2638 @itemize
2639 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2640   @code{get_free_indices()} does
2641 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2642   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2643 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2644   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2645   next section)
2646 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2647   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2648 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2649   of two tensors with a user-defined value
2650 @end itemize
2651
2652 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2653 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2654 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2655
2656 @example
2657 @{
2658     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2659     idx i(i_sym, 3);
2660
2661     scalar_products sp;
2662     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2663     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2664     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2665
2666     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2667     cout << e << endl;
2668      // -> (B+A).i*(A+C).i
2669
2670     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2671          << endl;
2672      // -> 4+C.i*B.i
2673 @}
2674 @end example
2675
2676 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2677 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2678 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2679 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2680 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2681 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2682 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2683 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2684
2685 @cindex @code{expand()}
2686 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2687 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2688 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2689
2690 @cindex @code{tensor} (class)
2691 @subsection Predefined tensors
2692
2693 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2694 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2695 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2696 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2697 indices are specified).
2698
2699 @cindex @code{delta_tensor()}
2700 @subsubsection Delta tensor
2701
2702 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2703 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2704 @code{delta_tensor()}:
2705
2706 @example
2707 @{
2708     symbol A("A"), B("B");
2709
2710     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2711         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2712
2713     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2714          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2715     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2716      // -> B.i.j*A.i.j
2717
2718     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2719      // -> 3
2720 @}
2721 @end example
2722
2723 @cindex @code{metric_tensor()}
2724 @subsubsection General metric tensor
2725
2726 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2727 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2728 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2729 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2730
2731 @example
2732 @{
2733     symbol A("A");
2734
2735     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2736
2737     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2738     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2739      // -> A~mu~rho
2740
2741     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2742     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2743      // -> g~mu~rho
2744
2745     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2746       * metric_tensor(nu, rho);
2747     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2748      // -> delta.mu~rho
2749
2750     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2751       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2752         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2753     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2754      // -> 4+A.rho~rho
2755 @}
2756 @end example
2757
2758 @cindex @code{lorentz_g()}
2759 @subsubsection Minkowski metric tensor
2760
2761 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2762 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2763 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2764 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2765 @samp{eta}):
2766
2767 @example
2768 @{
2769     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2770
2771     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2772       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2773     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2774      // -> 1
2775
2776     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2777       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2778     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2779      // -> -1
2780 @}
2781 @end example
2782
2783 @cindex @code{spinor_metric()}
2784 @subsubsection Spinor metric tensor
2785
2786 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2787 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2788 It is output as @samp{eps}:
2789
2790 @example
2791 @{
2792     symbol psi("psi");
2793
2794     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2795     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2796
2797     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2798     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2799      // -> psi~A
2800
2801     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2802     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2803      // -> -psi~B
2804
2805     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> -psi.A
2808
2809     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2810     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2811      // -> psi.B
2812
2813     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2814     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2815      // -> 2
2816
2817     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2818     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2819      // -> -delta.A~C
2820 @}
2821 @end example
2822
2823 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2824
2825 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2826 @cindex @code{lorentz_eps()}
2827 @subsubsection Epsilon tensor
2828
2829 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2830 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2831 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2832 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2833 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2834 @samp{eps}.
2835
2836 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2837 dimensions:
2838
2839 @example
2840 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2841 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2842 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2843                bool pos_sig = false);
2844 @end example
2845
2846 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2847 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2848 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2849 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2850 tensor):
2851
2852 @example
2853 @{
2854     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2855            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2856     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2857         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2858     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2859      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2860
2861     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2862     symbol A("A"), B("B");
2863     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2864     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2865      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2866     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2867     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2868      // -> 0
2869 @}
2870 @end example
2871
2872 @subsection Linear algebra
2873
2874 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2875 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2876 and scalar products):
2877
2878 @example
2879 @{
2880     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2881     symbol x("x"), y("y");
2882
2883     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2884     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2885     A = 1, 2,
2886         3, 4;
2887     X = x, y;
2888
2889     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2890      // -> 5
2891
2892     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2893     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2894      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2895
2896     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2897     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2898      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2899 @}
2900 @end example
2901
2902 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2903 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2904 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2905
2906 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2907 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2908 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2909 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2910
2911 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2912 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2913 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2914 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2915 of the metric tensor.
2916
2917
2918 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2919 @c    node-name, next, previous, up
2920 @section Non-commutative objects
2921
2922 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2923 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2924 physics:
2925
2926 @itemize
2927 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2928 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2929 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2930 @end itemize
2931
2932 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2933 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2934 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2935 @ref{Matrices}.
2936
2937 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2938 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2939 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2940 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2941 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2942 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2943 by their class. Consider this example:
2944
2945 @example
2946     ...
2947     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2948     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2949     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2950     cout << e << endl;
2951      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2952     ...
2953 @end example
2954
2955 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2956 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2957 together while preserving the order of factors within each class (because
2958 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2959 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2960 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2961 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2962
2963 @cindex @code{ncmul} (class)
2964 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2965 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2966 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2967 though.
2968
2969 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2970 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2971 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2972 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2973 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2974 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2975 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2976 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2977 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2978 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2979
2980 @cindex @code{return_type()}
2981 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2982 Information about the commutativity of an object or expression can be
2983 obtained with the two member functions
2984
2985 @example
2986 unsigned ex::return_type() const;
2987 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2988 @end example
2989
2990 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2991 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2992 expressions in GiNaC:
2993
2994 @itemize
2995 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2996   classes are of this kind.
2997 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2998   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2999   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3000   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3001   class.
3002 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3003   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3004   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3005   @code{noncommutative_composite} expressions.
3006 @end itemize
3007
3008 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3009 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3010 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3011 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3012
3013 Here are a couple of examples:
3014
3015 @cartouche
3016 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3017 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3018 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3019 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3020 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3021 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3022 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3023 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3024 @end multitable
3025 @end cartouche
3026
3027 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3028 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3029 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3030 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3031 for color objects.
3032
3033 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3034 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3035 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3036 non-commutative expressions).
3037
3038
3039 @cindex @code{clifford} (class)
3040 @subsection Clifford algebra
3041
3042
3043 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3044 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3045 mathematical). 
3046
3047 @cindex @code{dirac_gamma()}
3048 @subsubsection Dirac gamma matrices
3049 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3050 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3051 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3052 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3053 constructed by the function
3054
3055 @example
3056 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3057 @end example
3058
3059 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3060 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3061 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3062 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3063 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3064 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3065
3066 @cindex @code{dirac_ONE()}
3067 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3068
3069 @example
3070 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3071 @end example
3072
3073 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3074 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3075 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3076 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3077 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3078
3079 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3080 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3081 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3082 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3083
3084 @example
3085 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3086 @end example
3087
3088 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3089 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3090 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3091 objects, constructed by
3092
3093 @example
3094 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3095 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3096 @end example
3097
3098 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3099 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3100
3101 @cindex @code{dirac_slash()}
3102 Finally, the function
3103
3104 @example
3105 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3106 @end example
3107
3108 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3109 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3110 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3111 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3112
3113 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3114 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3115 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3116
3117 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3118 for example
3119
3120 @example
3121 @{
3122     ...
3123     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3124     varidx mu(symbol("mu"), D);
3125     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3126          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3127     cout << e << endl;
3128      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3129     e = e.simplify_indexed();
3130     cout << e << endl;
3131      // -> -D*a\+2*a\
3132     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3133      // -> -2*a\
3134     ...
3135 @}
3136 @end example
3137
3138 @cindex @code{dirac_trace()}
3139 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3140 you use one of the functions
3141
3142 @example
3143 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3144                const ex & trONE = 4);
3145 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3146 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3147 @end example
3148
3149 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3150 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3151 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3152 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3153 element, which defaults to 4.
3154
3155 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3156 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3157 functional is not cyclic in
3158 @tex $D \ne 4$
3159 @end tex
3160 dimensions when acting on
3161 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3162 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3163 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3164
3165 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3166 @tex $D \ne 4$
3167 @end tex
3168 dimensions:
3169
3170 @example
3171 @{
3172     // 4 dimensions
3173     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3174     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3175            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3176     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3177      // -> -8*eta~rho~nu
3178 @}
3179 ...
3180 @{
3181     // D dimensions
3182     symbol D("D");
3183     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3184     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3185            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3186     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3187      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3188 @}
3189 @end example
3190
3191 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3192 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3193 QED:
3194
3195 @example
3196 @{
3197     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3198     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3199
3200     scalar_products sp;
3201     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3202     sp.add(l, q, ldotq);
3203
3204     ex e = dirac_gamma(mu) *
3205            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3206            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3207            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3208     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3209     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3210     cout << e << endl;
3211      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3212 @}
3213 @end example
3214
3215 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3216 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3217 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3218
3219 @example
3220 @{
3221     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3222     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3223     cout << e << endl;
3224      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3225
3226     e = canonicalize_clifford(e);
3227     cout << e << endl;
3228      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3229 @}
3230 @end example
3231
3232 @cindex @code{clifford_unit()}
3233 @subsubsection A generic Clifford algebra
3234
3235 A generic Clifford algebra, i.e. a
3236 @tex
3237 $2^n$
3238 @end tex
3239 dimensional algebra with
3240 generators 
3241 @tex $e_k$
3242 @end tex 
3243 satisfying the identities 
3244 @tex
3245 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) $
3246 @end tex
3247 @ifnottex
3248 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j)
3249 @end ifnottex
3250 for some matrix (@code{metric})
3251 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric and containing symbolic
3252 entries. Such generators are created by the function
3253
3254 @example
3255     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);
3256 @end example
3257
3258 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3259 generators, @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3260 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3261 object, optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3262 Clifford algebras (which will commute with each other). Note that the call
3263 @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates something very close to
3264 @code{dirac_gamma(mu)}. The method @code{clifford::get_metric()} returns a
3265 metric defining this Clifford number.
3266
3267 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3268 the Clifford algebra units with a call like that
3269
3270 @example
3271     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3272 @end example
3273
3274 since this may yield some further automatic simplifications.
3275
3276 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3277 ways. For example 
3278
3279 @example
3280 @{
3281     ... 
3282     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3283     realsymbol s("s");
3284     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3285     ex e = clifford_unit(nu, M);
3286     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3287     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3288     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3289     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3290     ...
3291 @}
3292 @end example
3293
3294 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3295 @tex
3296 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3297 @end tex
3298 @ifnottex
3299 @code{pow(e0, 2) = 1},  @code{pow(e1, 2) = -1},   @code{pow(e2, 2) = 0} and   @code{pow(e3, 2) = s}. 
3300 @end ifnottex
3301
3302 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3303 A similar effect can be achieved from the function
3304
3305 @example
3306     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3307                        unsigned char rl = 0);
3308     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3309 @end example
3310
3311 which converts a list or vector 
3312 @tex
3313 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3314 @end tex
3315 @ifnottex
3316 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3317 @end ifnottex
3318 into the
3319 Clifford number 
3320 @tex
3321 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3322 @end tex
3323 @ifnottex
3324 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3325 @end ifnottex
3326 with @samp{e.k}
3327 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3328 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3329 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3330 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3331
3332 @example
3333 @{
3334     ...
3335     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3336     realsymbol s("s");
3337     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3338     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3339     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3340     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3341     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3342   ...
3343 @}
3344 @end example
3345
3346 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3347 There is the inverse function 
3348
3349 @example
3350     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3351 @end example
3352
3353 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3354 @tex
3355 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3356 @end tex
3357 @ifnottex
3358 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3359 @end ifnottex
3360 such that 
3361 @tex
3362 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3363 @end tex
3364 @ifnottex
3365 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3366 @end ifnottex
3367 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3368 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3369 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3370 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3371 @tex
3372 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3373 @end tex
3374 @ifnottex
3375 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3376 @end ifnottex
3377 is zero or is not a @code{numeric} for some @samp{k}
3378 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3379 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3380
3381 @cindex @code{clifford_prime()}
3382 @cindex @code{clifford_star()}
3383 @cindex @code{clifford_bar()}
3384 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3385
3386 @example
3387     ex clifford_prime(const ex & e)
3388     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3389     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3390 @end example
3391
3392 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3393 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3394 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3395 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3396 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3397 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3398 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3399 in a product. These functions correspond to the notations
3400 @math{e'},
3401 @tex
3402 $e^*$
3403 @end tex
3404 @ifnottex
3405 e*
3406 @end ifnottex
3407 and
3408 @tex
3409 $\overline{e}$
3410 @end tex
3411 @ifnottex
3412 @code{\bar@{e@}}
3413 @end ifnottex
3414 used in Clifford algebra textbooks.
3415
3416 @cindex @code{clifford_norm()}
3417 The function
3418
3419 @example
3420     ex clifford_norm(const ex & e);
3421 @end example
3422
3423 @cindex @code{clifford_inverse()}
3424 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3425 @tex
3426 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3427 @end tex
3428 @ifnottex
3429 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3430 @end ifnottex
3431  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3432
3433 @example
3434     ex clifford_inverse(const ex & e);
3435 @end example
3436
3437 which calculates it as 
3438 @tex
3439 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3440 @end tex
3441 @ifnottex
3442 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3443 @end ifnottex
3444  If
3445 @tex
3446 $||e|| = 0$
3447 @end tex
3448 @ifnottex
3449 @math{||e||=0}
3450 @end ifnottex
3451 then an exception is raised.
3452
3453 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3454 If a Clifford number happens to be a factor of
3455 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3456 expression by the function
3457
3458 @example
3459     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3460 @end example
3461
3462 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3463 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3464 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3465
3466 The last provided function is
3467
3468 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3469 @example
3470     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3471                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3472                             unsigned char rl = 0);
3473     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3474                             unsigned char rl = 0);
3475 @end example 
3476
3477 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3478 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3479 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3480 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be a
3481 matrix or a Clifford unit, in the later case the parameter @code{rl} is
3482 ignored even if supplied.  The returned value of this function is a list
3483 of components of the resulting vector.
3484
3485 LaTeX output for Clifford units looks like @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}},
3486 where @code{1} is the @code{representation_label} and @code{\nu} is the
3487 index of the corresponding unit. This provides a flexible typesetting
3488 with a suitable defintion of the @code{\clifford} command. For example, the
3489 definition 
3490 @example
3491     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3492 @end example
3493 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3494 @example
3495     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3496 @end example
3497 prints units with @code{representation_label=0} as 
3498 @tex
3499 $e$,
3500 @end tex
3501 @ifnottex
3502 @code{e},
3503 @end ifnottex
3504 with @code{representation_label=1} as 
3505 @tex
3506 $\tilde{e}$
3507 @end tex
3508 @ifnottex
3509 @code{\tilde@{e@}}
3510 @end ifnottex
3511  and with @code{representation_label=2} as 
3512 @tex
3513 $\breve{e}$.
3514 @end tex
3515 @ifnottex
3516 @code{\breve@{e@}}.
3517 @end ifnottex
3518
3519 @cindex @code{color} (class)
3520 @subsection Color algebra
3521
3522 @cindex @code{color_T()}
3523 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3524 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3525 elements @math{T_a} are constructed by the function
3526
3527 @example
3528 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3529 @end example
3530
3531 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3532 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3533 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3534 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3535 not @code{varidx}.
3536
3537 @cindex @code{color_ONE()}
3538 The unity element of a color algebra is constructed by
3539
3540 @example
3541 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3542 @end example
3543
3544 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3545 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3546 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3547 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3548 GiNaC may produce incorrect results.
3549
3550 @cindex @code{color_d()}
3551 @cindex @code{color_f()}
3552 The functions
3553
3554 @example
3555 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3556 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3557 @end example
3558
3559 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3560 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3561 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3562
3563 These functions evaluate to their numerical values,
3564 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3565 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3566 goes along better with the notations used in physical literature.
3567
3568 @cindex @code{color_h()}
3569 There's an additional function
3570
3571 @example
3572 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3573 @end example
3574
3575 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3576
3577 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3578 expressions containing color objects:
3579
3580 @example
3581 @{
3582     ...
3583     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3584         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3585
3586     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3587     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3588      // -> 0
3589
3590     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3591     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3592      // -> 5/3*delta.k.l
3593
3594     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3595     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3596      // -> 3*delta.k.l
3597
3598     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3599     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3600      // -> -32/3
3601
3602     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3603     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3604      // -> -2/3*T.a
3605
3606     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3607     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3608      // -> -8/9*ONE
3609
3610     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3611     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3612      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3613     ...
3614 @end example
3615
3616 @cindex @code{color_trace()}
3617 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3618 of the functions
3619
3620 @example
3621 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3622 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3623 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3624 @end example
3625
3626 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3627 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3628 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3629 example:
3630
3631 @example
3632     ...
3633     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3634     cout << e << endl;
3635      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3636 @}
3637 @end example
3638
3639
3640 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3641 @c    node-name, next, previous, up
3642 @section Hash Maps
3643 @cindex hash maps
3644 @cindex @code{exhashmap} (class)
3645
3646 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3647 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3648 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3649 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3650
3651 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3652 following differences:
3653
3654 @itemize @bullet
3655 @item
3656 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3657 @item
3658 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3659 @item 
3660 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3661 @item
3662 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3663 @code{ex_is_less}
3664 @item
3665 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3666 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3667 larger than the specified value)
3668 @item
3669 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3670 table
3671 @item 
3672 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3673 @end itemize
3674
3675
3676 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3677 @c    node-name, next, previous, up
3678 @chapter Methods and Functions
3679 @cindex polynomial
3680
3681 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3682 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3683 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3684 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3685 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3686 example:
3687
3688 @example
3689     ...
3690     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3691     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3692     ...
3693 @end example
3694
3695 @cindex @code{subs()}
3696 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3697 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3698 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3699 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3700 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3701 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3702 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3703 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3704 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3705 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3706 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3707 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3708 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3709 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3710 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3711 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3712 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3713 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3714 avoided.
3715
3716 @menu
3717 * Information About Expressions::
3718 * Numerical Evaluation::
3719 * Substituting Expressions::
3720 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3721 * Applying a Function on Subexpressions::
3722 * Visitors and Tree Traversal::
3723 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3724 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3725 * Symbolic Differentiation::
3726 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3727 * Symmetrization::
3728 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3729 * Multiple polylogarithms::
3730 * Complex Conjugation::
3731 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3732 * Solving Linear Systems of Equations::
3733 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3734 @end menu
3735
3736
3737 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3738 @c    node-name, next, previous, up
3739 @section Getting information about expressions
3740
3741 @subsection Checking expression types
3742 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3743 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3744 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3745 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3746 @cindex @code{info()}
3747 @cindex @code{return_type()}
3748 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3749
3750 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3751 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3752 GiNaC provides a couple of functions for this:
3753
3754 @example
3755 bool is_a<T>(const ex & e);
3756 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3757 bool ex::info(unsigned flag);
3758 unsigned ex::return_type() const;
3759 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3760 @end example
3761
3762 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3763 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3764 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3765 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3766
3767 @example
3768 @{
3769     @dots{}
3770     if (is_a<numeric>(e))
3771         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3772     @dots{}
3773 @}
3774 @end example
3775
3776 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3777 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3778 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3779 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3780
3781 @example
3782 @{
3783     symbol x("x");
3784     ex e1 = 42;
3785     ex e2 = 4*x - 3;
3786     is_a<numeric>(e1);  // true
3787     is_a<numeric>(e2);  // false
3788     is_a<add>(e1);      // false
3789     is_a<add>(e2);      // true
3790     is_a<mul>(e1);      // false
3791     is_a<mul>(e2);      // false
3792 @}
3793 @end example
3794
3795 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3796 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3797 class @samp{T}, not including parent classes.
3798
3799 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3800 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3801 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3802 table:
3803
3804 @cartouche
3805 @multitable @columnfractions .30 .70
3806 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3807 @item @code{numeric}
3808 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3809 @item @code{real}
3810 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3811 @item @code{rational}
3812 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3813 @item @code{integer}
3814 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3815 @item @code{crational}
3816 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3817 @item @code{cinteger}
3818 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3819 @item @code{positive}
3820 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3821 @item @code{negative}
3822 @tab @dots{}not complex and less than 0
3823 @item @code{nonnegative}
3824 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3825 @item @code{posint}
3826 @tab @dots{}an integer greater than 0
3827 @item @code{negint}
3828 @tab @dots{}an integer less than 0
3829 @item @code{nonnegint}
3830 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3831 @item @code{even}
3832 @tab @dots{}an even integer
3833 @item @code{odd}
3834 @tab @dots{}an odd integer
3835 @item @code{prime}
3836 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3837 @item @code{relation}
3838 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3839 @item @code{relation_equal}
3840 @tab @dots{}a @code{==} relation
3841 @item @code{relation_not_equal}
3842 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3843 @item @code{relation_less}
3844 @tab @dots{}a @code{<} relation
3845 @item @code{relation_less_or_equal}
3846 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3847 @item @code{relation_greater}
3848 @tab @dots{}a @code{>} relation
3849 @item @code{relation_greater_or_equal}
3850 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3851 @item @code{symbol}
3852 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3853 @item @code{list}
3854 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3855 @item @code{polynomial}
3856 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3857 @item @code{integer_polynomial}
3858 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3859 @item @code{cinteger_polynomial}
3860 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3861 @item @code{rational_polynomial}
3862 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3863 @item @code{crational_polynomial}
3864 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3865 @item @code{rational_function}
3866 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3867 @item @code{algebraic}
3868 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3869 @end multitable
3870 @end cartouche
3871
3872 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3873 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3874 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3875 for an explanation of these.
3876
3877
3878 @subsection Accessing subexpressions
3879 @cindex container
3880
3881 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3882 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3883 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3884 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3885
3886 @cindex @code{nops()}
3887 @cindex @code{op()}
3888 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3889 use the two methods
3890
3891 @example
3892 size_t ex::nops();
3893 ex ex::op(size_t i);
3894 @end example
3895
3896 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3897 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3898 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3899 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3900 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3901 @math{i>0} are the indices.
3902
3903 @cindex iterators
3904 @cindex @code{const_iterator}
3905 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3906 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3907
3908 @example
3909 const_iterator ex::begin();
3910 const_iterator ex::end();
3911 @end example
3912
3913 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3914 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3915 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3916 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3917
3918 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3919 given expression in three different ways:
3920
3921 @example
3922 @{
3923     ex e = ...
3924
3925     // with nops()/op()
3926     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3927         cout << e.op(i) << endl;
3928
3929     // with iterators
3930     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3931         cout << *i << endl;
3932
3933     // with iterators and STL copy()
3934     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3935 @}
3936 @end example
3937
3938 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3939 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3940 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3941 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3942 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3943 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3944 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3945 methods
3946
3947 @example
3948 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3949 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3950 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3951 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3952 @end example
3953
3954 The following example illustrates the differences between
3955 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3956 @code{const_postorder_iterator}:
3957
3958 @example
3959 @{
3960     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3961     ex e = lst(lst(A, B), C);
3962
3963     std::copy(e.begin(), e.end(),
3964               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3965     // @{A,B@}
3966     // C
3967
3968     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3969               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3970     // @{@{A,B@},C@}
3971     // @{A,B@}
3972     // A
3973     // B
3974     // C
3975
3976     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3977               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3978     // A
3979     // B
3980     // @{A,B@}
3981     // C
3982     // @{@{A,B@},C@}
3983 @}
3984 @end example
3985
3986 @cindex @code{relational} (class)
3987 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3988 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3989 methods
3990
3991 @example
3992 ex ex::lhs();
3993 ex ex::rhs();
3994 @end example
3995
3996
3997 @subsection Comparing expressions
3998 @cindex @code{is_equal()}
3999 @cindex @code{is_zero()}
4000
4001 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4002 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4003 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4004 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4005 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4006 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4007 @code{false}.
4008
4009 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4010 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4011 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4012
4013 There are also two methods
4014
4015 @example
4016 bool ex::is_equal(const ex & other);
4017 bool ex::is_zero();
4018 @end example
4019
4020 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4021 respectively.
4022
4023
4024 @subsection Ordering expressions
4025 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4026 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4027 @cindex @code{compare()}
4028
4029 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4030 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4031 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4032 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4033
4034 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4035 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4036 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4037 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4038 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4039 yield @code{true}.
4040
4041 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4042 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4043 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4044 predicates to the STL:
4045
4046 @example
4047 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4048 public:
4049     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4050 @};
4051
4052 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4053 public:
4054     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4055 @};
4056 @end example
4057
4058 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4059 have to use
4060
4061 @example
4062 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4063 @end example
4064
4065 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4066 bugs because the map operates improperly.
4067
4068 Other examples for the use of the functors:
4069
4070 @example
4071 std::vector<ex> v;
4072 // fill vector
4073 ...
4074
4075 // sort vector
4076 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4077
4078 // count the number of expressions equal to '1'
4079 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4080                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4081 @end example
4082
4083 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4084
4085 @example
4086 int ex::compare(const ex & other) const;
4087 @end example
4088
4089 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4090 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4091 after @code{other}.
4092
4093
4094 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4095 @c    node-name, next, previous, up
4096 @section Numerical Evaluation
4097 @cindex @code{evalf()}
4098
4099 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4100 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4101
4102 @example
4103 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4104 @end example
4105
4106 @cindex @code{Digits}
4107 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4108 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4109 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4110
4111 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4112 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4113
4114 @example
4115 @{
4116     // Approximate sin(x/Pi)
4117     symbol x("x");
4118     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4119
4120     // Evaluate numerically at x=0.1
4121     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4122
4123     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4124     if (is_a<numeric>(f)) @{
4125         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4126         cout << d << endl;
4127          // -> 0.0318256
4128     @} else
4129         // error
4130 @}
4131 @end example
4132
4133
4134 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4135 @c    node-name, next, previous, up
4136 @section Substituting expressions
4137 @cindex @code{subs()}
4138
4139 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4140 expressions via the @code{.subs()} method:
4141
4142 @example
4143 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4144 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4145 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4146 @end example
4147
4148 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4149 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4150
4151 @example
4152 @{
4153     symbol x("x"), y("y");
4154
4155     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4156     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4157      // -> 73
4158
4159     ex e2 = x*y + x;
4160     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4161      // -> -10
4162 @}
4163 @end example
4164
4165 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4166 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4167
4168 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4169 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4170 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4171 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4172 be substituted is large or unknown.
4173
4174 Using this form, the second example from above would look like this:
4175
4176 @example
4177 @{
4178     symbol x("x"), y("y");
4179     ex e2 = x*y + x;
4180
4181     exmap m;
4182     m[x] = -2;
4183     m[y] = 4;
4184     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4185 @}
4186 @end example
4187
4188 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4189 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4190 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4191
4192 @example
4193 @{
4194     symbol x("x"), y("y");
4195     ex e2 = x*y + x;
4196
4197     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4198 @}
4199 @end example
4200
4201 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4202 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4203 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4204 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4205 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4206 algebraic substitutions in products and powers.
4207 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4208 about patterns and algebraic substitutions.
4209
4210 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4211 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4212 following example:
4213
4214 @example
4215 @{
4216     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4217
4218     ex e1 = pow(x+y, 2);
4219     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4220      // -> 16
4221
4222     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4223     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4224      // -> cos(x)^2*sin(y)
4225
4226     ex e3 = x+y+z;
4227     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4228      // -> x+y+z
4229      // (and not 4+z as one might expect)
4230 @}
4231 @end example
4232
4233 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4234 next section.
4235
4236
4237 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4238 @c    node-name, next, previous, up
4239 @section Pattern matching and advanced substitutions
4240 @cindex @code{wildcard} (class)
4241 @cindex Pattern matching
4242
4243 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4244 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4245 substituting expressions in a more general way.
4246
4247 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4248 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4249 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4250 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4251 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4252 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4253 with the call
4254
4255 @example
4256 ex wild(unsigned label = 0);
4257 @end example
4258
4259 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4260 name.
4261
4262 Some examples for patterns:
4263
4264 @multitable @columnfractions .5 .5
4265 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4266 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4267 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4268 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4269 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4270 @end multitable
4271
4272 Notes:
4273
4274 @itemize
4275 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4276   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4277 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4278   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4279   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4280 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4281   possible to use them as placeholders for other properties like index
4282   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4283   etc.
4284 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4285   as part of noncommutative products.
4286 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4287   are also valid patterns.
4288 @end itemize
4289
4290 @subsection Matching expressions
4291 @cindex @code{match()}
4292 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4293 matches a given pattern. This is done by the function
4294
4295 @example
4296 bool ex::match(const ex & pattern);
4297 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4298 @end example
4299
4300 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4301 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4302 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4303 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4304 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4305 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4306 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4307 expressions by passing in the result of a previous match.
4308
4309 The matching algorithm works as follows:
4310
4311 @itemize
4312 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4313   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4314   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4315   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4316 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4317   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4318   etc.).
4319 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4320   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4321 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4322   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4323   of the pattern.
4324 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4325   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4326 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4327   match the corresponding subexpression of the pattern.
4328 @end itemize
4329
4330 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4331 account for their commutativity and associativity:
4332
4333 @itemize
4334 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4335   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4336   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4337   way.
4338 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4339   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4340   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4341   further matches.
4342 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4343   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4344   which case this wildcard matches the remaining terms.
4345 @end itemize
4346
4347 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4348 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4349 ambiguous results.
4350
4351 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4352 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4353 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4354
4355 @example
4356 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4357 @{@}
4358 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4359 FAIL
4360 > match((x+y)^a,$1^$2);
4361 @{$1==x+y,$2==a@}
4362 > match((x+y)^a,$1^$1);
4363 FAIL
4364 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4365 @{$1==x+y@}
4366 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4367 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4368 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4369 @{$1==a@}
4370 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4371 @{$1==c,$2==b@}
4372   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4373 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4374   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4375    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4376    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4377    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4378    fail.)
4379 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4380   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4381    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4382 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4383 FAIL
4384 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4385 @{$0==a+e+b+f+d@}
4386 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4387 @{$0==a+b+f+d@}
4388 > match(a+b,a+b+$0);
4389 @{$0==0@}
4390 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4391 FAIL
4392   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4393    even though a==a^1.)
4394 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4395 @{$0==x@}
4396 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4397 @{$0==x^2@}
4398 @end example
4399
4400 @subsection Matching parts of expressions
4401 @cindex @code{has()}
4402 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4403 member function
4404
4405 @example
4406 bool ex::has(const ex & pattern);
4407 @end example
4408
4409 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4410 by any of its subexpressions.
4411
4412 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4413 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4414
4415 @example
4416 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4417 1
4418 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4419 0
4420   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4421    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4422 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4423 1
4424   (But this is possible.)
4425 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4426 0
4427   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4428    which "x+y" is not a subexpression.)
4429 > has(x+1,x^$1);
4430 0
4431   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4432    "x^something".)
4433 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4434 1
4435 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4436 0
4437   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4438    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4439    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4440 @end example
4441
4442 @cindex @code{find()}
4443 The method
4444
4445 @example
4446 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4447 @end example
4448
4449 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4450 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4451 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4452 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4453 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4454
4455 @example
4456 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4457 @{x@}
4458 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4459 @{@}
4460 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4461 @{x^3,x^2@}
4462   (Note the absence of "x".)
4463 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4464 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4465 > find(%,sin($1));
4466 @{sin(y),sin(x)@}
4467 @end example
4468
4469 @subsection Substituting expressions
4470 @cindex @code{subs()}
4471 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4472 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4473 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4474 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4475 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4476
4477 Some examples:
4478
4479 @example
4480 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4481 b^3+a^3+(x+y)^3
4482 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4483 b^4+a^4+(x+y)^4
4484 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4485 (a+b+c)^2
4486 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4487 (x+c)^2
4488 > subs(a+2*b,a+b==x);
4489 a+2*b
4490 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4491 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4492 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4493 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4494 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4495 cos(1+cos(x))
4496 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4497 a+b
4498 @end example
4499
4500 The last example would be written in C++ in this way:
4501
4502 @example
4503 @{
4504     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4505     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4506     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4507     cout << e.expand() << endl;
4508      // -> a+b
4509 @}
4510 @end example
4511
4512 @subsection Algebraic substitutions
4513 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4514 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4515 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4516 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4517 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4518 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4519 powers.
4520
4521 An example clarifies it all (hopefully):
4522
4523 @example
4524 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4525                                         subs_options::algebraic) << endl;
4526 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4527
4528 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4529 // --> (c+b+a)^2
4530 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4531
4532 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4533                                                                       << endl;
4534 // --> (x+c)^2
4535 // As I said: addition is just the same.
4536
4537 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4538 // --> x^3*b*a^2+2*b
4539
4540 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4541                                                                        << endl;
4542 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4543
4544 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4545 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4546
4547 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4548                                 subs_options::algebraic) << endl;
4549 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4550 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4551 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4552
4553 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4554                                 subs_options::algebraic) << endl;
4555 // --> cos(1+cos(x))
4556
4557 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4558         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4559                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4560 // --> b+a
4561 @end example
4562
4563
4564 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4565 @c    node-name, next, previous, up
4566 @section Applying a Function on Subexpressions
4567 @cindex tree traversal
4568 @cindex @code{map()}
4569
4570 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4571 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4572 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4573 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4574 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4575 to do this manually which usually results in code like this:
4576
4577 @example
4578 ex calc_trace(ex e)
4579 @{
4580     if (is_a<matrix>(e))
4581         return ex_to<matrix>(e).trace();
4582     else if (is_a<add>(e)) @{
4583         ex sum = 0;
4584         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4585             sum += calc_trace(e.op(i));
4586         return sum;
4587     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4588         ...
4589     @} else @{
4590         ...
4591     @}
4592 @}
4593 @end example
4594
4595 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4596 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4597 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4598 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4599 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4600
4601 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4602 operations:
4603
4604 @example
4605 ex ex::map(map_function & f) const;
4606 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4607 @end example
4608
4609 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4610 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4611 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4612 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4613 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4614 non-recursively.
4615
4616 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4617 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4618 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4619 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4620 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4621
4622 @example
4623 struct calc_trace : public map_function @{
4624     ex operator()(const ex &e)
4625     @{
4626         if (is_a<matrix>(e))
4627             return ex_to<matrix>(e).trace();
4628         else if (is_a<mul>(e)) @{
4629             ...
4630         @} else
4631             return e.map(*this);
4632     @}
4633 @};
4634 @end example
4635
4636 This function object could then be used like this:
4637
4638 @example
4639 @{
4640     ex M = ... // expression with matrices
4641     calc_trace do_trace;
4642     ex tr = do_trace(M);
4643 @}
4644 @end example
4645
4646 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4647 terms in a variable from an expanded polynomial:
4648
4649 @example
4650 struct map_rem_quad : public map_function @{
4651     ex var;
4652     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4653
4654     ex operator()(const ex & e)
4655     @{
4656         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4657             return e.map(*this);
4658         else if (is_a<power>(e) && 
4659                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4660             return 0;
4661         else
4662             return e;
4663     @}
4664 @};
4665
4666 ...
4667
4668 @{
4669     symbol x("x"), y("y");
4670
4671     ex e;
4672     for (int i=0; i<8; i++)
4673         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4674     cout << e << endl;
4675      // -> 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
4676
4677     map_rem_quad rem_quad(x);
4678     cout << rem_quad(e) << endl;
4679      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4680 @}
4681 @end example
4682
4683 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4684 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4685 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4686 acts as the placeholder for the operands:
4687
4688 @example
4689 > map(a*b,sin($0));
4690 sin(a)*sin(b)
4691 > map(a+2*b,sin($0));
4692 sin(a)+sin(2*b)
4693 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4694 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4695 @end example
4696
4697 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4698 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4699 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4700
4701 @example
4702 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4703 @{0,0,0@}
4704   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4705   to "map(@{a,b,c@},0)".
4706 @end example
4707
4708
4709 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4710 @c    node-name, next, previous, up
4711 @section Visitors and Tree Traversal
4712 @cindex tree traversal
4713 @cindex @code{visitor} (class)
4714 @cindex @code{accept()}
4715 @cindex @code{visit()}
4716 @cindex @code{traverse()}
4717 @cindex @code{traverse_preorder()}
4718 @cindex @code{traverse_postorder()}
4719
4720 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4721 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4722 indices with variance you always want the covariant version returned.
4723
4724 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4725 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4726 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4727 with variance, one for plain ones).
4728
4729 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4730 such as the following:
4731
4732 @example
4733 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4734 @{
4735     if (is_a<varidx>(e)) @{
4736         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4737         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4738     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4739         l.append(e);
4740     @} else @{
4741         size_t n = e.nops();
4742         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4743             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4744     @}
4745 @}
4746
4747 lst gather_indices(const ex & e)
4748 @{
4749     lst l;
4750     gather_indices_helper(e, l);
4751     l.sort();
4752     l.unique();
4753     return l;
4754 @}
4755 @end example
4756
4757 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4758 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4759 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4760
4761 @example
4762     if (is_a<idx>(e)) @{
4763       ...
4764     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4765       ...
4766 @end example
4767
4768 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4769 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4770 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4771 executed.
4772
4773 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4774 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4775 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4776 write a function that required a different implementation for nearly
4777 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4778
4779 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4780 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4781 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4782 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4783 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4784 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4785 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4786 presented this would be impractical.
4787
4788 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4789 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4790 variation, described in detail in
4791 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4792 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4793 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4794 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4795 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4796 object that @code{accept()} was being invoked on.
4797
4798 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4799 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4800 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4801 each class.
4802
4803 A call of
4804
4805 @example
4806 void ex::accept(visitor & v) const;
4807 @end example
4808
4809 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4810 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4811 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4812
4813 Here is an example of a visitor:
4814
4815 @example
4816 class my_visitor
4817  : public visitor,          // this is required
4818    public add::visitor,     // visit add objects
4819    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4820    public basic::visitor    // visit basic objects
4821 @{
4822     void visit(const add & x)
4823     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4824
4825     void visit(const numeric & x)
4826     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4827
4828     void visit(const basic & x)
4829     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4830 @};
4831 @end example
4832
4833 which can be used as follows:
4834
4835 @example
4836 ...
4837     symbol x("x");
4838     ex e1 = 42;
4839     ex e2 = 4*x-3;
4840     ex e3 = 8*x;
4841
4842     my_visitor v;
4843     e1.accept(v);
4844      // prints "called with a numeric object"
4845     e2.accept(v);
4846      // prints "called with an add object"
4847     e3.accept(v);
4848      // prints "called with a basic object"
4849 ...
4850 @end example
4851
4852 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4853 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4854
4855 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4856 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4857 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4858 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4859 hierarchies of visitors.
4860
4861 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4862
4863 @example
4864 class gather_indices_visitor
4865  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4866 @{
4867     lst l;
4868
4869     void visit(const idx & i)
4870     @{
4871         l.append(i);
4872     @}
4873
4874     void visit(const varidx & vi)
4875     @{
4876         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4877     @}
4878
4879 public:
4880     const lst & get_result() // utility function
4881     @{
4882         l.sort();
4883         l.unique();
4884         return l;
4885     @}
4886 @};
4887 @end example
4888
4889 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4890 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4891
4892 @example
4893 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4894 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4895 void ex::traverse(visitor & v) const;
4896 @end example
4897
4898 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4899 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4900 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4901 @code{traverse_preorder()}.
4902
4903 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4904 and @code{traverse()}:
4905
4906 @example
4907 lst gather_indices(const ex & e)
4908 @{
4909     gather_indices_visitor v;
4910     e.traverse(v);
4911     return v.get_result();
4912 @}
4913 @end example
4914
4915 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4916 traversal:
4917
4918 @example
4919 lst gather_indices(const ex & e)
4920 @{
4921     gather_indices_visitor v;
4922     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4923          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4924         i->accept(v);
4925     @}
4926     return v.get_result();
4927 @}
4928 @end example
4929
4930
4931 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4932 @c    node-name, next, previous, up
4933 @section Polynomial arithmetic
4934
4935 @subsection Expanding and collecting
4936 @cindex @code{expand()}
4937 @cindex @code{collect()}
4938 @cindex @code{collect_common_factors()}
4939
4940 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4941 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4942 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4943 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4944 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4945 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4946 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4947 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4948 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4949 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4950 x*z}.
4951
4952 To bring an expression into expanded form, its method
4953
4954 @example
4955 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4956 @end example
4957
4958 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4959 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4960 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4961 orderings of terms in such sums!
4962
4963 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4964 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4965 being polynomials in the remaining variables.  The method
4966 @code{collect()} accomplishes this task:
4967
4968 @example
4969 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4970 @end example
4971
4972 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4973 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4974 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4975 by the @code{distributed} flag.
4976
4977 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4978 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4979 coefficients properly.
4980
4981 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4982 together with @code{find()}:
4983
4984 @example
4985 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4986 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)
4987 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4988 > collect(a,@{p,q@});
4989 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
4990 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4991 > collect(a,find(a,sin($1)));
4992 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4993 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4994 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4995 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4996 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4997 @end example
4998
4999 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5000 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5001
5002 @example
5003 ex collect_common_factors(const ex & e);
5004 @end example
5005
5006 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5007 factors which are already explicitly present:
5008
5009 @example
5010 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5011 (x+y)*a
5012 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5013 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5014 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5015 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5016 @end example
5017
5018 @subsection Degree and coefficients
5019 @cindex @code{degree()}
5020 @cindex @code{ldegree()}
5021 @cindex @code{coeff()}
5022
5023 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5024 methods
5025
5026 @example
5027 int ex::degree(const ex & s);
5028 int ex::ldegree(const ex & s);
5029 @end example
5030
5031 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5032 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5033 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5034 an expanded polynomial you use
5035
5036 @example
5037 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5038 @end example
5039
5040 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5041
5042 @example
5043 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5044 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5045 @end example
5046
5047 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5048 respectively.
5049
5050 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5051 polynomial is analyzed:
5052
5053 @example
5054 @{
5055     symbol x("x"), y("y");
5056     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5057                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5058     ex Poly = PolyInp.expand();
5059     
5060     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5061         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5062              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5063     @}
5064     cout << "As polynomial in y: " 
5065          << Poly.collect(y) << endl;
5066 @}
5067 @end example
5068
5069 When run, it returns an output in the following fashion:
5070
5071 @example
5072 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5073 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5074 The x^2-coefficient is -1
5075 The x^3-coefficient is 4*y
5076 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5077 @end example
5078
5079 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5080 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5081 within the user's sphere of influence.
5082
5083 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5084 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5085 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5086 constants, functions and indexed objects as well:
5087
5088 @example
5089 @{
5090     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5091     idx i(symbol("i"), 3);
5092
5093     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5094     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5095      // -> 4
5096     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5097      // -> -4*cos(x)
5098
5099     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5100     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5101     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5102      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5103 @}
5104 @end example
5105
5106
5107 @subsection Polynomial division
5108 @cindex polynomial division
5109 @cindex quotient
5110 @cindex remainder
5111 @cindex pseudo-remainder
5112 @cindex @code{quo()}
5113 @cindex @code{rem()}
5114 @cindex @code{prem()}
5115 @cindex @code{divide()}
5116
5117 The two functions
5118
5119 @example
5120 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5121 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5122 @end example
5123
5124 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5125 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5126
5127 The additional function
5128
5129 @example
5130 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5131 @end example
5132
5133 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5134 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5135
5136 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5137
5138 @example
5139 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5140 @end example
5141
5142 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5143 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5144 in which case the value of @code{q} is undefined.
5145
5146
5147 @subsection Unit, content and primitive part
5148 @cindex @code{unit()}
5149 @cindex @code{content()}
5150 @cindex @code{primpart()}
5151 @cindex @code{unitcontprim()}
5152
5153 The methods
5154
5155 @example
5156 ex ex::unit(const ex & x);
5157 ex ex::content(const ex & x);
5158 ex ex::primpart(const ex & x);
5159 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5160 @end example
5161
5162 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5163 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5164 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5165 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5166 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5167 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5168 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5169 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5170
5171 Additionally, the method
5172
5173 @example
5174 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5175 @end example
5176
5177 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5178 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5179
5180
5181 @subsection GCD, LCM and resultant
5182 @cindex GCD
5183 @cindex LCM
5184 @cindex @code{gcd()}
5185 @cindex @code{lcm()}
5186
5187 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5188 multiple have the synopsis
5189
5190 @example
5191 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5192 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5193 @end example
5194
5195 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5196 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5197 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5198 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5199 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5200 the coefficients must be rationals.
5201
5202 @example
5203 #include <ginac/ginac.h>
5204 using namespace GiNaC;
5205
5206 int main()
5207 @{
5208     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5209     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5210     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5211
5212     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5213     // x + 5*y + 4*z
5214     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5215     // 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
5216 @}
5217 @end example
5218
5219 @cindex resultant
5220 @cindex @code{resultant()}
5221
5222 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5223 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5224 expressions. The function has the interface
5225
5226 @example
5227 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5228 @end example
5229
5230 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5231 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5232 @code{y}, respectively:
5233
5234 @example
5235 #include <ginac/ginac.h>
5236 using namespace GiNaC;
5237
5238 int main()
5239 @{
5240     symbol x("x"), y("y");
5241
5242     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5243     ex r;
5244     
5245     r = resultant(e1, e2, x); 
5246     // -> 1+2*y^6
5247     r = resultant(e1, e2, y); 
5248     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5249 @}
5250 @end example
5251
5252 @subsection Square-free decomposition
5253 @cindex square-free decomposition
5254 @cindex factorization
5255 @cindex @code{sqrfree()}
5256
5257 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5258 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5259 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5260 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5261 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5262 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5263 one, too:
5264 @example
5265 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5266 @end example
5267 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5268 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5269 some care with subsequent processing of the result:
5270 @example
5271     ...
5272     symbol x("x"), y("y");
5273     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5274
5275     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5276      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5277
5278     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5279      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5280
5281     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5282      // -> depending on luck, any of the above
5283     ...
5284 @end example
5285 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5286 with this method.
5287
5288
5289 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5290 @c    node-name, next, previous, up
5291 @section Rational expressions
5292
5293 @subsection The @code{normal} method
5294 @cindex @code{normal()}
5295 @cindex simplification
5296 @cindex temporary replacement
5297
5298 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5299 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5300 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5301 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5302 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5303 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5304
5305 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5306 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5307 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5308 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5309 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5310 @code{.to_rational()}, described below.
5311
5312 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5313 simplified in this little code snippet:
5314
5315 @example
5316 @{
5317     symbol x("x");
5318     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5319     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5320     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5321     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5322 @}
5323 @end example
5324
5325 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5326 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5327 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5328
5329
5330 @subsection Numerator and denominator
5331 @cindex numerator
5332 @cindex denominator
5333 @cindex @code{numer()}
5334 @cindex @code{denom()}
5335 @cindex @code{numer_denom()}
5336
5337 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5338
5339 @example
5340 ex ex::numer();
5341 ex ex::denom();
5342 ex ex::numer_denom();
5343 @end example
5344
5345 These functions will first normalize the expression as described above and
5346 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5347 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5348 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5349
5350
5351 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5352 @cindex @code{to_polynomial()}
5353 @cindex @code{to_rational()}
5354
5355 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5356 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5357 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5358 above. You do this by calling
5359
5360 @example
5361 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5362 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5363 @end example
5364 or
5365 @example
5366 ex ex::to_rational(exmap & m);
5367 ex ex::to_rational(lst & l);
5368 @end example
5369
5370 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5371 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5372 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5373 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5374 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5375 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5376
5377 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5378 is probably best illustrated with an example:
5379
5380 @example
5381 @{
5382     symbol x("x"), y("y");
5383     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5384     cout << a << endl;
5385
5386     lst lp;
5387     ex p = a.to_polynomial(lp);
5388     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5389      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5390      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5391
5392     lst lr;
5393     ex r = a.to_rational(lr);
5394     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5395      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5396      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5397 @}
5398 @end example
5399
5400 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5401
5402 @example
5403 @{
5404     symbol x("x");
5405     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5406     ex b = sin(x) + cos(x);
5407     ex q;
5408     exmap m;
5409     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5410     cout << q.subs(m) << endl;
5411 @}
5412 @end example
5413
5414
5415 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5416 @c    node-name, next, previous, up
5417 @section Symbolic differentiation
5418 @cindex differentiation
5419 @cindex @code{diff()}
5420 @cindex chain rule
5421 @cindex product rule
5422
5423 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5424 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5425 the derivatives of all the monomials:
5426
5427 @example
5428 @{
5429     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5430     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5431
5432     cout << P.diff(x,2) << endl;
5433      // -> 20*x^3 + 2
5434     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5435      // -> 1
5436     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5437      // -> 0
5438 @}
5439 @end example
5440
5441 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5442 returns the @var{n}th derivative.
5443
5444 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5445 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5446 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5447 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5448 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5449 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5450 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5451 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5452 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5453 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5454 lines:
5455
5456 @cindex Euler numbers
5457 @example
5458 #include <ginac/ginac.h>
5459 using namespace GiNaC;
5460
5461 ex EulerNumber(unsigned n)
5462 @{
5463     symbol x;
5464     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5465     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5466 @}
5467
5468 int main()
5469 @{
5470     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5471         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5472     return 0;
5473 @}
5474 @end example
5475
5476 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5477 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5478 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5479
5480
5481 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5482 @c    node-name, next, previous, up
5483 @section Series expansion
5484 @cindex @code{series()}
5485 @cindex Taylor expansion
5486 @cindex Laurent expansion
5487 @cindex @code{pseries} (class)
5488 @cindex @code{Order()}
5489
5490 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5491 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5492 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5493 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5494 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5495 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5496 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5497 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5498 term).  A sample application from special relativity could read:
5499
5500 @example
5501 #include <ginac/ginac.h>
5502 using namespace std;
5503 using namespace GiNaC;
5504
5505 int main()
5506 @{
5507     symbol v("v"), c("c");
5508     
5509     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5510     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5511     
5512     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5513          << mass_nonrel << endl;
5514     
5515     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5516          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5517 @}
5518 @end example
5519
5520 Only calling the series method makes the last output simplify to
5521 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5522 series raised to the power @math{-2}.
5523
5524 @cindex Machin's formula
5525 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5526 value of Archimedes' constant
5527 @tex
5528 $\pi$
5529 @end tex
5530 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5531 using John Machin's amazing formula
5532 @tex
5533 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5534 @end tex
5535 @ifnottex
5536 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5537 @end ifnottex
5538 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5539 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5540 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5541 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5542 order term with it and the question arises what the system is supposed
5543 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5544 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5545 term off:
5546
5547 @example
5548 #include <ginac/ginac.h>
5549 using namespace GiNaC;
5550
5551 ex machin_pi(int degr)
5552 @{
5553     symbol x;
5554     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5555     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5556                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5557     return pi_approx;
5558 @}
5559
5560 int main()
5561 @{
5562     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5563     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5564     ex pi_frac;
5565     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5566         pi_frac = machin_pi(i);
5567         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5568              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5569     @}
5570     return 0;
5571 @}
5572 @end example
5573
5574 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5575 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5576 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5577 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5578 program, it will type out:
5579
5580 @example
5581 2:      3804/1195
5582         3.1832635983263598326
5583 4:      5359397032/1706489875
5584         3.1405970293260603143
5585 6:      38279241713339684/12184551018734375
5586         3.141621029325034425
5587 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5588         3.141591772182177295
5589 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5590         3.1415926824043995174
5591 @end example
5592
5593
5594 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5595 @c    node-name, next, previous, up
5596 @section Symmetrization
5597 @cindex @code{symmetrize()}
5598 @cindex @code{antisymmetrize()}
5599 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5600
5601 The three methods
5602
5603 @example
5604 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5605 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5606 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5607 @end example
5608
5609 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5610 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5611 weighted by the number of permutations.
5612
5613 The three additional methods
5614
5615 @example
5616 ex ex::symmetrize();
5617 ex ex::antisymmetrize();
5618 ex ex::symmetrize_cyclic();
5619 @end example
5620
5621 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5622
5623 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5624 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5625
5626 @example
5627 @{
5628     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5629     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5630                                            
5631     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5632      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5633     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5634      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5635     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5636      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5637 @}
5638 @end example
5639
5640 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5641 @c    node-name, next, previous, up
5642 @section Predefined mathematical functions
5643 @c
5644 @subsection Overview
5645
5646 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5647
5648 @cartouche
5649 @multitable @columnfractions .30 .70
5650 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5651 @item @code{abs(x)}
5652 @tab absolute value
5653 @cindex @code{abs()}
5654 @item @code{csgn(x)}
5655 @tab complex sign
5656 @cindex @code{conjugate()}
5657 @item @code{conjugate(x)}
5658 @tab complex conjugation
5659 @cindex @code{csgn()}
5660 @item @code{sqrt(x)}
5661 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5662 @cindex @code{sqrt()}
5663 @item @code{sin(x)}
5664 @tab sine
5665 @cindex @code{sin()}
5666 @item @code{cos(x)}
5667 @tab cosine
5668 @cindex @code{cos()}
5669 @item @code{tan(x)}
5670 @tab tangent
5671 @cindex @code{tan()}
5672 @item @code{asin(x)}
5673 @tab inverse sine
5674 @cindex @code{asin()}
5675 @item @code{acos(x)}
5676 @tab inverse cosine
5677 @cindex @code{acos()}
5678 @item @code{atan(x)}
5679 @tab inverse tangent
5680 @cindex @code{atan()}
5681 @item @code{atan2(y, x)}
5682 @tab inverse tangent with two arguments
5683 @item @code{sinh(x)}
5684 @tab hyperbolic sine
5685 @cindex @code{sinh()}
5686 @item @code{cosh(x)}
5687 @tab hyperbolic cosine
5688 @cindex @code{cosh()}
5689 @item @code{tanh(x)}
5690 @tab hyperbolic tangent
5691 @cindex @code{tanh()}
5692 @item @code{asinh(x)}
5693 @tab inverse hyperbolic sine
5694 @cindex @code{asinh()}
5695 @item @code{acosh(x)}
5696 @tab inverse hyperbolic cosine
5697 @cindex @code{acosh()}
5698 @item @code{atanh(x)}
5699 @tab inverse hyperbolic tangent
5700 @cindex @code{atanh()}
5701 @item @code{exp(x)}
5702 @tab exponential function
5703 @cindex @code{exp()}
5704 @item @code{log(x)}
5705 @tab natural logarithm
5706 @cindex @code{log()}
5707 @item @code{Li2(x)}
5708 @tab dilogarithm
5709 @cindex @code{Li2()}
5710 @item @code{Li(m, x)}
5711 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5712 @cindex @code{Li()}
5713 @item @code{G(a, y)}
5714 @tab multiple polylogarithm
5715 @cindex @code{G()}
5716 @item @code{G(a, s, y)}
5717 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5718 @cindex @code{G()}
5719 @item @code{S(n, p, x)}
5720 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5721 @cindex @code{S()}
5722 @item @code{H(m, x)}
5723 @tab harmonic polylogarithm
5724 @cindex @code{H()}
5725 @item @code{zeta(m)}
5726 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5727 @cindex @code{zeta()}
5728 @item @code{zeta(m, s)}
5729 @tab alternating Euler sum
5730 @cindex @code{zeta()}
5731 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5732 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5733 @item @code{tgamma(x)}
5734 @tab gamma function
5735 @cindex @code{tgamma()}
5736 @cindex gamma function
5737 @item @code{lgamma(x)}
5738 @tab logarithm of gamma function
5739 @cindex @code{lgamma()}
5740 @item @code{beta(x, y)}
5741 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5742 @cindex @code{beta()}
5743 @item @code{psi(x)}
5744 @tab psi (digamma) function
5745 @cindex @code{psi()}
5746 @item @code{psi(n, x)}
5747 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5748 @item @code{factorial(n)}
5749 @tab factorial function @math{n!}
5750 @cindex @code{factorial()}
5751 @item @code{binomial(n, k)}
5752 @tab binomial coefficients
5753 @cindex @code{binomial()}
5754 @item @code{Order(x)}
5755 @tab order term function in truncated power series
5756 @cindex @code{Order()}
5757 @end multitable
5758 @end cartouche
5759
5760 @cindex branch cut
5761 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5762 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5763 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5764 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5765 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5766 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5767 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5768 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5769 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5770 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5771 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5772 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5773 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5774 compatible with C99.
5775
5776 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5777 @c    node-name, next, previous, up
5778 @subsection Multiple polylogarithms
5779
5780 @cindex polylogarithm
5781 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5782 @cindex harmonic polylogarithm
5783 @cindex multiple zeta value
5784 @cindex alternating Euler sum
5785 @cindex multiple polylogarithm
5786
5787 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5788 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5789 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5790 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5791 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5792 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5793 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5794 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5795 notations are more natural to the series representation or the integral
5796 representation, respectively.
5797
5798 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5799 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5800 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5801
5802 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5803 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5804 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5805 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5806 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5807 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5808 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5809 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5810 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5811 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5812 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5813
5814 The functions print in LaTeX format as
5815 @tex
5816 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5817 @end tex
5818 @tex
5819 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5820 @end tex
5821 @tex
5822 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5823 @end tex
5824 @tex
5825 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5826 @end tex
5827 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5828 are printed with a line above, e.g.
5829 @tex
5830 $\zeta(5,\overline{2})$.
5831 @end tex
5832 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5833
5834 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5835 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5836 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5837 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5838
5839 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5840 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5841 the series representation. This means
5842 @tex
5843 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5844 @end tex
5845 @tex
5846 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5847 @end tex
5848 @tex
5849 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5850 @end tex
5851 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5852 is reversed.
5853
5854 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5855 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5856 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5857 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5858 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5859 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5860 @tex
5861 $\zeta(\overline{3},4)$
5862 @end tex
5863 and
5864 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5865 @tex
5866 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5867 @end tex
5868 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5869 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5870 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
5871 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5872 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5873 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5874 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5875
5876 @example
5877 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5878 S(2,2,x)
5879 > H(@{-3,2@},1);
5880 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5881 > S(3,1,1);
5882 1/90*Pi^4
5883 @end example
5884
5885 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5886 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5887 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5888 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5889 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5890 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5891
5892 @example
5893 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5894 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5895 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5896 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5897 @end example
5898
5899 Every function can be numerically evaluated for
5900 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5901 global variable @code{Digits}:
5902
5903 @example
5904 > Digits=100;
5905 100
5906 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5907 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5908 @end example
5909
5910 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5911 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5912
5913 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5914 unevaluated, e.g.
5915 @tex
5916 $\zeta(1)$.
5917 @end tex
5918 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5919 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5920 cancellations of divergencies happen.
5921
5922 Useful publications:
5923
5924 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5925 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5926
5927 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5928 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5929
5930 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5931 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5932
5933 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
5934 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
5935
5936 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5937 @c    node-name, next, previous, up
5938 @section Complex Conjugation
5939 @c
5940 @cindex @code{conjugate()}
5941
5942 The method
5943
5944 @example
5945 ex ex::conjugate();
5946 @end example
5947
5948 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5949 conjugation gives the expected results:
5950
5951 @example
5952 @{
5953     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5954     symbol x("x");
5955     realsymbol y("y");
5956                                            
5957     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5958      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5959     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5960      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5961 @}
5962 @end example
5963
5964 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5965 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5966 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5967 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5968 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5969
5970 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5971 @c    node-name, next, previous, up
5972 @section Solving Linear Systems of Equations
5973 @cindex @code{lsolve()}
5974
5975 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5976 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5977 needs to be solved:
5978
5979 @example
5980 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
5981           unsigned options = solve_algo::automatic);
5982 @end example
5983
5984 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5985 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5986 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5987 @code{lst}).
5988
5989 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5990 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5991
5992 @example
5993 @{
5994     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5995     lst eqns, vars;
5996     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5997     vars = x, y;
5998     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5999      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6000 @end example
6001
6002 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6003 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6004 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6005 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6006 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6007 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6008 around that method.
6009
6010
6011 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6012 @c    node-name, next, previous, up
6013 @section Input and output of expressions
6014 @cindex I/O
6015
6016 @subsection Expression output
6017 @cindex printing
6018 @cindex output of expressions
6019
6020 Expressions can simply be written to any stream:
6021
6022 @example
6023 @{
6024     symbol x("x");
6025     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6026     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6027     // ...
6028 @end example
6029
6030 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6031 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6032 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6033 is printed as @samp{x^2}).
6034
6035 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6036 a set of stream manipulators;
6037
6038 @example
6039 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6040 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6041 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6042 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6043 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6044 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6045 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6046 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6047 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6048 @end example
6049
6050 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6051 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6052 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6053
6054 @cindex @code{dflt}
6055 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6056 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6057
6058 @example
6059     // ...
6060     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6061                               // now on
6062     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6063     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6064     cout << dflt;             // revert to default output format
6065     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6066     // ...
6067 @end example
6068
6069 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6070 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6071
6072 @example
6073     // ...
6074     ostringstream s;
6075     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6076     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6077     // ...
6078 @end example
6079
6080 @cindex @code{csrc}
6081 @cindex @code{csrc_float}
6082 @cindex @code{csrc_double}
6083 @cindex @code{csrc_cl_N}
6084 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6085 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6086 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6087 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6088 classes provided by the CLN library):
6089
6090 @example
6091     // ...
6092     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6093     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6094     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6095     // ...
6096 @end example
6097
6098 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6099 @code{x*x}):
6100
6101 @example
6102 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6103 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6104 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6105 @end example
6106
6107 @cindex @code{tree}
6108 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6109 expression for debugging purposes:
6110
6111 @example
6112     // ...
6113     cout << tree << e;
6114 @}
6115 @end example
6116
6117 produces
6118
6119 @example
6120 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6121     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6122         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6123         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6124     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6125     -----
6126     overall_coeff
6127     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6128     =====
6129 @end example
6130
6131 @cindex @code{latex}
6132 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6133 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6134 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6135 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6136 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6137 constructor.
6138
6139 For example, the code snippet
6140
6141 @example
6142 @{
6143     symbol x("x", "\\circ");
6144     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6145     cout << latex << e << endl;
6146 @}
6147 @end example
6148
6149 will print
6150
6151 @example
6152     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6153     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6154 @end example
6155
6156 @cindex @code{index_dimensions}
6157 @cindex @code{no_index_dimensions}
6158 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6159 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6160 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6161 formats:
6162
6163 @example
6164 @{
6165     symbol x("x"), y("y");
6166     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6167     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6168
6169     cout << e << endl;
6170      // prints 'x~mu*y~nu'
6171     cout << index_dimensions << e << endl;
6172      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6173     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6174      // prints 'x~mu*y~nu'
6175 @}
6176 @end example
6177
6178
6179 @cindex Tree traversal
6180 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6181 with other algebra systems or for producing code for different
6182 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6183
6184 @example
6185 static void my_print(const ex & e)
6186 @{
6187     if (is_a<function>(e))
6188         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6189     else
6190         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6191     cout << "(";
6192     size_t n = e.nops();
6193     if (n)
6194         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6195             my_print(e.op(i));
6196             if (i != n-1)
6197                 cout << ",";
6198         @}
6199     else
6200         cout << e;
6201     cout << ")";
6202 @}
6203
6204 int main()
6205 @{
6206     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6207     return 0;
6208 @}
6209 @end example
6210
6211 This will produce
6212
6213 @example
6214 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6215 symbol(y))),numeric(-2)))
6216 @end example
6217
6218 If you need an output format that makes it possible to accurately
6219 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6220 object factory, you should consider storing the expression in an
6221 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6222 See the section on archiving for more information.
6223
6224
6225 @subsection Expression input
6226 @cindex input of expressions
6227
6228 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6229 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6230 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6231 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6232 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6233
6234 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6235 list of symbols to be used:
6236
6237 @example
6238 @{
6239     symbol x("x"), y("y");
6240     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6241 @}
6242 @end example
6243
6244 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6245 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6246 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6247 the list it will throw an exception.
6248
6249 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6250
6251 @example
6252 #include <iostream>
6253 #include <string>
6254 #include <stdexcept>
6255 #include <ginac/ginac.h>
6256 using namespace std;
6257 using namespace GiNaC;
6258
6259 int main()
6260 @{
6261     symbol x("x");
6262     string s;
6263
6264     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6265     getline(cin, s);
6266
6267     try @{
6268         ex e(s, lst(x));
6269         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6270         cout << e.diff(x) << ".\n";
6271     @} catch (exception &p) @{
6272         cerr << p.what() << endl;
6273     @}
6274 @}
6275 @end example
6276
6277
6278 @subsection Archiving
6279 @cindex @code{archive} (class)
6280 @cindex archiving
6281
6282 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6283 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6284 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6285 expression a unique name:
6286
6287 @example
6288 #include <fstream>
6289 using namespace std;
6290 #include <ginac/ginac.h>
6291 using namespace GiNaC;
6292
6293 int main()
6294 @{
6295     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6296
6297     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6298     ex bar = foo + 1;
6299
6300     archive a;
6301     a.archive_ex(foo, "foo");
6302     a.archive_ex(bar, "the second one");
6303     // ...
6304 @end example
6305
6306 The archive can then be written to a file:
6307
6308 @example
6309     // ...
6310     ofstream out("foobar.gar");
6311     out << a;
6312     out.close();
6313     // ...
6314 @end example
6315
6316 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6317 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6318
6319 @cindex @command{viewgar}
6320 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6321 the contents of GiNaC archive files:
6322
6323 @example
6324 $ viewgar foobar.gar
6325 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6326 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6327 @end example
6328
6329 The point of writing archive files is of course that they can later be
6330 read in again:
6331
6332 @example
6333     // ...
6334     archive a2;
6335     ifstream in("foobar.gar");
6336     in >> a2;
6337     // ...
6338 @end example
6339
6340 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6341
6342 @example
6343     // ...
6344     lst syms;
6345     syms = x, y;
6346
6347     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6348     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6349
6350     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6351     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6352     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6353 @}
6354 @end example
6355
6356 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6357 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6358 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6359 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6360 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6361 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6362 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6363 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6364
6365 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6366 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6367 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6368 functions that let you access the stored properties:
6369
6370 @example
6371 static void my_print2(const archive_node & n)
6372 @{
6373     string class_name;
6374     n.find_string("class", class_name);
6375     cout << class_name << "(";
6376
6377     archive_node::propinfovector p;
6378     n.get_properties(p);
6379
6380     size_t num = p.size();
6381     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6382         const string &name = p[i].name;
6383         if (name == "class")
6384             continue;
6385         cout << name << "=";
6386
6387         unsigned count = p[i].count;
6388         if (count > 1)
6389             cout << "@{";
6390
6391         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6392             switch (p[i].type) @{
6393                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6394                     bool x;
6395                     n.find_bool(name, x, j);
6396                     cout << (x ? "true" : "false");
6397                     break;
6398                 @}
6399                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6400                     unsigned x;
6401                     n.find_unsigned(name, x, j);
6402                     cout << x;
6403                     break;
6404                 @}
6405                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6406                     string x;
6407                     n.find_string(name, x, j);
6408                     cout << '\"' << x << '\"';
6409                     break;
6410                 @}
6411                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6412                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6413                     my_print2(x);
6414                     break;
6415                 @}
6416             @}
6417
6418             if (j != count-1)
6419                 cout << ",";
6420         @}
6421
6422         if (count > 1)
6423             cout << "@}";
6424
6425         if (i != num-1)
6426             cout << ",";
6427     @}
6428
6429     cout << ")";
6430 @}
6431
6432 int main()
6433 @{
6434     ex e = pow(2, x) - y;
6435     archive ar(e, "e");
6436     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6437     return 0;
6438 @}
6439 @end example
6440
6441 This will produce:
6442
6443 @example
6444 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6445 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6446 overall_coeff=numeric(number="0"))
6447 @end example
6448
6449 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6450 class may change between GiNaC versions.
6451
6452
6453 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6454 @c    node-name, next, previous, up
6455 @chapter Extending GiNaC
6456
6457 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6458 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6459 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6460 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6461 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6462 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6463
6464 @menu
6465 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6466 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6467 * Printing::                         Adding new output formats.
6468 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6469 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6470 @end menu
6471
6472
6473 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6474 @c    node-name, next, previous, up
6475 @section What doesn't belong into GiNaC
6476
6477 @cindex @command{ginsh}
6478 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6479 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6480 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6481 language.  There are no loops or conditional expressions in
6482 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6483 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6484 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6485 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6486 the future.
6487
6488 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6489 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6490 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6491 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6492 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6493 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6494 provided by CLN are much better suited.
6495
6496
6497 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6498 @c    node-name, next, previous, up
6499 @section Symbolic functions
6500
6501 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6502 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6503 two preprocessor macros:
6504
6505 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6506 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6507 @example
6508 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6509 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6510 @end example
6511
6512 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6513 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6514 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6515 @code{function} object that represents your function.
6516
6517 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6518 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6519 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6520 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6521 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6522 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6523 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6524 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6525
6526 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6527 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6528 done our best to avoid macros where we can.)
6529
6530 @subsection A minimal example
6531
6532 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6533 that is not further evaluated:
6534
6535 @example
6536 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6537
6538 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6539 @end example
6540
6541 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6542 in algebraic expressions:
6543
6544 @example
6545 @{
6546     ...
6547     symbol x("x");
6548     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6549     cout << e << endl;
6550      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6551     ...
6552 @}
6553 @end example
6554
6555 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6556 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6557 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6558 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6559
6560 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6561 example of how to make an "intelligent" function.
6562
6563 @subsection The cosine function
6564
6565 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6566
6567 @example
6568 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6569 @end example
6570
6571 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6572 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6573 this function in expressions.
6574
6575 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6576 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6577
6578 @example
6579 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6580                        evalf_func(cos_evalf).
6581                        derivative_func(cos_deriv).
6582                        latex_name("\\cos"));
6583 @end example
6584
6585 There are four options defined for the cosine function. One of them
6586 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6587 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6588 function are defined.
6589
6590 @cindex @code{hold()}
6591 @cindex evaluation
6592 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6593 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6594 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6595 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6596 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6597 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6598 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6599 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6600 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6601 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6602 somewhere.
6603
6604 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6605 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6606 what is going on):
6607
6608 @example
6609 static ex cos_eval(const ex & x)
6610 @{
6611     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6612         return 1;
6613     else if ("x is a multiple of Pi")
6614         return -1;
6615     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6616         return 0;
6617     // more rules...
6618
6619     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6620         return y;
6621     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6622         return sqrt(1-y^2);
6623     // more rules...
6624
6625     else
6626         return cos(x).hold();
6627 @}
6628 @end example
6629
6630 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6631
6632 @example
6633 @{
6634     ...
6635     e = cos(Pi);
6636      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6637      // the actual expression
6638     cout << e << endl;
6639      // prints '-1'
6640     ...
6641 @}
6642 @end example
6643
6644 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6645 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6646 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6647 with @code{.hold()}.
6648
6649 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6650 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6651 different function:
6652
6653 @example
6654 static ex cos_evalf(const ex & x)
6655 @{
6656     if (is_a<numeric>(x))
6657         return cos(ex_to<numeric>(x));
6658     else
6659         return cos(x).hold();
6660 @}
6661 @end example
6662
6663 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6664 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6665 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6666 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6667 function would require it in this place.
6668
6669 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6670 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6671 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6672 @code{ex::diff}):
6673
6674 @example
6675 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6676 @{
6677     return -sin(x);
6678 @}
6679 @end example
6680
6681 @cindex product rule
6682 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6683 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6684 case the function has more than one parameter, and its main application
6685 is for correct handling of the chain rule.
6686
6687 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6688 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6689 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6690 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6691
6692 @example
6693 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6694                      int order, unsigned options)
6695 @{
6696     // Find the actual expansion point
6697     const ex x_pt = x.subs(rel);
6698
6699     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6700         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6701
6702     // On a pole, expand sin()/cos()
6703     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6704 @}
6705 @end example
6706
6707 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6708 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6709
6710 @subsection Function options
6711
6712 GiNaC functions understand several more options which are always
6713 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6714 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6715 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6716 functions without any special options.
6717
6718 @example
6719 eval_func(<C++ function>)
6720 evalf_func(<C++ function>)
6721 derivative_func(<C++ function>)
6722 series_func(<C++ function>)
6723 conjugate_func(<C++ function>)
6724 @end example
6725
6726 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6727 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6728 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6729 @code{diff()} and @code{series()}.
6730
6731 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6732 automatic evaluation is desired or possible.
6733
6734 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6735 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6736 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6737 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6738 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6739 suitable transformation.
6740
6741 @example
6742 latex_name(const string & n)
6743 @end example
6744
6745 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6746 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6747
6748 @example
6749 do_not_evalf_params()
6750 @end example
6751
6752 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6753 function before calling the @code{evalf_func()}.
6754
6755 @example
6756 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6757 @end example
6758
6759 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6760 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6761 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6762 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6763 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6764 commutation properties of their first argument.
6765
6766 @example
6767 set_symmetry(const symmetry & s)
6768 @end example
6769
6770 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6771 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6772 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6773 symmetric functions into a canonical order.
6774
6775 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6776 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6777 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6778 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6779 with the
6780
6781 @example
6782 print_func<C>(<C++ function>)
6783 @end example
6784
6785 option which is explained in the next section.
6786
6787 @subsection Functions with a variable number of arguments
6788
6789 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6790 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6791 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6792 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6793 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6794
6795 It is also possible to define functions that accept a different number of
6796 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6797 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6798 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6799 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6800 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6801 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6802 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6803 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6804
6805
6806 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6807 @c    node-name, next, previous, up
6808 @section GiNaC's expression output system
6809
6810 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6811 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6812 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6813 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6814 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6815 functions.
6816
6817 @cindex @code{print_context} (class)
6818 @cindex @code{print_dflt} (class)
6819 @cindex @code{print_latex} (class)
6820 @cindex @code{print_tree} (class)
6821 @cindex @code{print_csrc} (class)
6822 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6823 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6824 header file:
6825
6826 @table @code
6827 @item print_dflt
6828 the default output format
6829 @item print_latex
6830 output in LaTeX mathematical mode
6831 @item print_tree
6832 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6833 @item print_csrc
6834 the base class for C source output
6835 @item print_csrc_float
6836 C source output using the @code{float} type
6837 @item print_csrc_double
6838 C source output using the @code{double} type
6839 @item print_csrc_cl_N
6840 C source output using CLN types
6841 @end table
6842
6843 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6844
6845 @example
6846 class print_context
6847 @{
6848     ...
6849 public:
6850     std::ostream & s;
6851     unsigned options;
6852 @};
6853 @end example
6854
6855 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6856 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6857 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6858 to print the index dimension which is normally hidden.
6859
6860 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6861 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6862 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6863 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6864
6865 @cindex @code{print()}
6866 @example
6867 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6868 @end example
6869
6870 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6871 top-level algebraic object contained in the expression.
6872
6873 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6874 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6875 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6876 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6877 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6878 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6879 (single) virtual function dispatch.
6880
6881 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6882 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6883 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6884 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6885 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6886 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6887 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6888 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6889 object's class name enclosed in square brackets).
6890
6891 You can think of the print methods of all the different classes and output
6892 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6893 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6894 classes.
6895
6896 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6897 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6898 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6899 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6900 methods at run-time).
6901
6902 @subsection Print methods for classes
6903
6904 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6905 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6906 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6907 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6908 can also be used to override existing methods dynamically.
6909
6910 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6911 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6912 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6913 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6914 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6915 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6916 the class is the one being implemented by
6917 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6918
6919 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6920 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6921 @code{unsigned}.
6922
6923 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6924 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6925 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6926 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6927 private and protected members of @code{T}.
6928
6929 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6930 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6931 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6932 purposes if you write your own output formats.
6933
6934 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6935 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6936 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6937 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6938
6939 @example
6940 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6941                              const print_latex & c,
6942                              unsigned level)
6943 @{
6944     // get the precedence of the 'power' class
6945     unsigned power_prec = p.precedence();
6946
6947     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6948     // we need parentheses around the power
6949     if (level >= power_prec)
6950         c.s << '(';
6951
6952     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6953     // separated by an uparrow
6954     c.s << '@{';
6955     p.op(0).print(c, power_prec);
6956     c.s << "@}\\uparrow@{";
6957     p.op(1).print(c, power_prec);
6958     c.s << '@}';
6959
6960     // don't forget the closing parenthesis
6961     if (level >= power_prec)
6962         c.s << ')';
6963 @}
6964                                                                                 
6965 int main()
6966 @{
6967     // a sample expression
6968     symbol x("x"), y("y");
6969     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6970
6971     // switch to LaTeX mode
6972     cout << latex;
6973
6974     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6975     cout << e << endl;
6976
6977     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6978     // our own one
6979     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6980
6981     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
6982     //              \uparrow@{2@}@}"
6983     cout << e << endl;
6984 @}
6985 @end example
6986
6987 Some notes:
6988
6989 @itemize
6990
6991 @item
6992 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6993 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6994
6995 @item
6996 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6997 @code{power} objects for the purpose of printing.
6998
6999 @item
7000 The output of products including negative powers as fractions is also
7001 controlled by the @code{mul} class.
7002
7003 @item
7004 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7005 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7006
7007 @end itemize
7008
7009 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7010 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7011 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7012 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7013 sources, find the method that is installed at startup
7014 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7015 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7016
7017 @subsection Print methods for functions
7018
7019 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7020 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7021 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7022 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7023 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7024
7025 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7026
7027 @example
7028 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7029 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7030                                                                                 
7031 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7032 @{
7033     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7034 @}
7035                                                                                 
7036 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7037 @{
7038     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7039 @}
7040                                                                                 
7041 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7042                        evalf_func(abs_evalf).
7043                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7044                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7045                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7046 @end example
7047
7048 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7049 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7050
7051 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7052
7053 @subsection Adding new output formats
7054
7055 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7056 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7057 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7058 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7059 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7060 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7061 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7062 options value.
7063
7064 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7065
7066 @example
7067 class print_myformat : public print_dflt
7068 @{
7069     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7070 public:
7071     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7072      : print_dflt(os, opt) @{@}
7073 @};
7074
7075 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7076
7077 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7078 @end example
7079
7080 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7081 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7082 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7083 format are implemented as print methods, as described above.
7084
7085 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7086 exactly like GiNaC's default output format:
7087
7088 @example
7089 @{
7090     symbol x("x");
7091     ex e = pow(x, 2) + 1;
7092
7093     // this prints "1+x^2"
7094     cout << e << endl;
7095     
7096     // this also prints "1+x^2"
7097     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7098
7099     ...
7100 @}
7101 @end example
7102
7103 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7104 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7105
7106 @example
7107 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7108 // example above for explanations.
7109 void print_power_as_myformat(const power & p,
7110                              const print_myformat & c,
7111                              unsigned level)
7112 @{
7113     unsigned power_prec = p.precedence();
7114     if (level >= power_prec)
7115         c.s << '(';
7116     p.op(0).print(c, power_prec);
7117     c.s << "**";
7118     p.op(1).print(c, power_prec);
7119     if (level >= power_prec)
7120         c.s << ')';
7121 @}
7122
7123 @{
7124     ...
7125     // install a new print method for power objects
7126     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7127
7128     // now this prints "1+x**2"
7129     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7130
7131     // but the default format is still "1+x^2"
7132     cout << e << endl;
7133 @}
7134 @end example
7135
7136
7137 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7138 @c    node-name, next, previous, up
7139 @section Structures
7140
7141 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7142 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7143 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7144 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7145 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7146
7147 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7148 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7149 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7150 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7151 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7152 read both sections because many common concepts and member functions are
7153 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7154 is most suited to your needs.
7155
7156 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7157 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7158 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7159
7160 @subsection Example: scalar products
7161
7162 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7163 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7164 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7165 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7166 product in a C++ @code{struct}:
7167
7168 @example
7169 #include <iostream>
7170 using namespace std;
7171
7172 #include <ginac/ginac.h>
7173 using namespace GiNaC;
7174
7175 struct sprod_s @{
7176     ex left, right;
7177
7178     sprod_s() @{@}
7179     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7180 @};
7181 @end example
7182
7183 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7184 data structure, we need only one line:
7185
7186 @example
7187 typedef structure<sprod_s> sprod;
7188 @end example
7189
7190 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7191 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7192 expressions like any other GiNaC class:
7193
7194 @example
7195 ...
7196     symbol a("a"), b("b");
7197     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7198 ...
7199 @end example
7200
7201 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7202 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7203 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7204 constructed from an @code{sprod_s} object.
7205
7206 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7207 you could define a little wrapper function like this:
7208
7209 @example
7210 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7211 @{
7212     return sprod(sprod_s(left, right));
7213 @}
7214 @end example
7215
7216 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7217 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7218 @code{get_struct()}:
7219
7220 @example
7221 ...
7222     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7223      // -> a
7224     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7225      // -> b
7226 ...
7227 @end example
7228
7229 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7230
7231 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7232 that deal with scalar products, for example:
7233
7234 @example
7235 ex swap_sprod(ex p)
7236 @{
7237     if (is_a<sprod>(p)) @{
7238         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7239         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7240     @} else
7241         return p;
7242 @}
7243
7244 ...
7245     f = swap_sprod(e);
7246      // f is now <b|a>
7247 ...
7248 @end example
7249
7250 @subsection Structure output
7251
7252 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7253 desired, most notably proper output:
7254
7255 @example
7256 ...
7257     cout << e << endl;
7258      // -> [structure object]
7259 ...
7260 @end example
7261
7262 By default, any structure types you define will be printed as
7263 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7264 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7265 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7266 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7267 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7268 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7269
7270 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7271 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7272
7273 @example
7274 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7275 @{
7276     // tree debug output handled by superclass
7277     if (is_a<print_tree>(c))
7278         inherited::print(c, level);
7279
7280     // get the contained sprod_s object
7281     const sprod_s & sp = get_struct();
7282
7283     // print_context::s is a reference to an ostream
7284     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7285 @}
7286 @end example
7287
7288 Now we can print expressions containing scalar products:
7289
7290 @example
7291 ...
7292     cout << e << endl;
7293      // -> <a|b>
7294     cout << swap_sprod(e) << endl;
7295      // -> <b|a>
7296 ...
7297 @end example
7298
7299 @subsection Comparing structures
7300
7301 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7302 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7303 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7304 and undesired behavior:
7305
7306 @example
7307 ...
7308     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7309      // -> 0
7310     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7311      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7312 ...
7313 @end example
7314
7315 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7316 for objects of type @code{sprod_s}:
7317
7318 @example
7319 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7320 @{
7321     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7322 @}
7323
7324 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7325 @{
7326     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7327            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7328 @}
7329 @end example
7330
7331 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7332 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7333 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7334 in the implementation of these operators because they would construct
7335 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7336 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7337 decide which one is algebraically 'less').
7338
7339 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7340 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7341
7342 @example
7343 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7344 @end example
7345
7346 @code{sprod} objects then behave as expected:
7347
7348 @example
7349 ...
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*a, b*b) << endl;
7353      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7354     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7355      // -> 0
7356     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7357      // -> 2*<a|b>
7358 ...
7359 @end example
7360
7361 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7362 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7363 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7364 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7365 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7366 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7367
7368 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7369 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7370 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7371 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7372 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7373 undefined value) that the @code{T} class might have.
7374
7375 @subsection Subexpressions
7376
7377 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7378 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7379 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7380
7381 @example
7382 size_t sprod::nops() const
7383 @{
7384     return 2;
7385 @}
7386
7387 ex sprod::op(size_t i) const
7388 @{
7389     switch (i) @{
7390     case 0:
7391         return get_struct().left;
7392     case 1:
7393         return get_struct().right;
7394     default:
7395         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7396     @}
7397 @}
7398 @end example
7399
7400 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7401 @code{sprod} has two other nice side effects:
7402
7403 @itemize @bullet
7404 @item
7405 @code{has()} works as expected
7406 @item
7407 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7408 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7409 @end itemize
7410
7411 @cindex @code{let_op()}
7412 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7413 allows replacing subexpressions:
7414
7415 @example
7416 ex & sprod::let_op(size_t i)
7417 @{
7418     // every non-const member function must call this
7419     ensure_if_modifiable();
7420
7421     switch (i) @{
7422     case 0:
7423         return get_struct().left;
7424     case 1:
7425         return get_struct().right;
7426     default:
7427         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7428     @}
7429 @}
7430 @end example
7431
7432 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7433 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7434 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7435 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7436
7437 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7438 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7439 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7440 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7441 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7442 This is left as an exercise for the reader.
7443
7444 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7445 you can override by specialization to customize the behavior of your
7446 structures. You are referred to the next section for a description of
7447 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7448 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7449 @code{structure<T>} template: archiving.
7450
7451 @subsection Archiving structures
7452
7453 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7454 should first read the next section and then come back here. You're back?
7455 Good.
7456
7457 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7458 specializations for the @code{archive()} member function and the
7459 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7460 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7461 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7462 the class of an object is stored as a string, the class name.
7463
7464 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7465 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7466 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7467 need to provide a different name for each by specializing the
7468 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7469 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7470
7471 @example
7472 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7473
7474 void sprod::archive(archive_node & n) const
7475 @{
7476     inherited::archive(n);
7477     n.add_ex("left", get_struct().left);
7478     n.add_ex("right", get_struct().right);
7479 @}
7480
7481 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7482 @{
7483     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7484     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7485 @}
7486 @end example
7487
7488 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7489 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7490 @code{sprod::unarchive()} function.
7491
7492
7493 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7494 @c    node-name, next, previous, up
7495 @section Adding classes
7496
7497 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7498 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7499 severe of which being that you can't add any new member functions to
7500 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7501 from scratch.
7502
7503 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7504 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7505 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7506 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7507 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7508 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7509 representing tensor products is more involved but this section should give
7510 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7511 classes if you want to implement something more complicated.
7512
7513 @subsection GiNaC's run-time type information system
7514
7515 @cindex hierarchy of classes
7516 @cindex RTTI
7517 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7518 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7519 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7520 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7521 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7522 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7523 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7524 system that provides this kind of information is called a run-time type
7525 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7526 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7527 implements its own, simpler RTTI.
7528
7529 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7530
7531 @itemize @bullet
7532
7533 @item
7534 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7535 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7536 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7537 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7538
7539 @item
7540 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7541 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7542 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7543 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7544 @file{registrar.h} header file.
7545
7546 @end itemize
7547
7548 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7549 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7550 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7551 macros.
7552
7553 @subsection A minimalistic example
7554
7555 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7556 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7557 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7558 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7559 for your own classes.
7560
7561 The code snippets given here assume that you have included some header files
7562 as follows:
7563
7564 @example
7565 #include <iostream>
7566 #include <string>   
7567 #include <stdexcept>
7568 using namespace std;
7569
7570 #include <ginac/ginac.h>
7571 using namespace GiNaC;
7572 @end example
7573
7574 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7575 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7576 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7577 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7578 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7579 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7580
7581 @example
7582 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7583 @end example
7584
7585 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7586 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7587 object from a C or C++ string:
7588
7589 @example
7590 class mystring : public basic
7591 @{
7592     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7593   
7594 public:
7595     mystring(const string &s);
7596     mystring(const char *s);
7597
7598 private:
7599     string str;
7600 @};
7601
7602 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7603 @end example
7604
7605 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7606 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7607 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7608 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7609 the first line after the opening brace of the class definition. The
7610 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7611 source (at global scope, of course, not inside a function).
7612
7613 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7614 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7615 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7616 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7617 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7618 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7619 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7620 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7621
7622 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7623 class:
7624
7625 @itemize
7626
7627 @item
7628 @code{mystring()}, the default constructor.
7629
7630 @item
7631 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7632 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7633 @code{archive_node}.
7634
7635 @item
7636 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7637 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7638 found in an @code{archive_node}.
7639
7640 @item
7641 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7642 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7643 constructor.
7644
7645 @item
7646 @cindex @code{compare_same_type()}
7647 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7648 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7649 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7650 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7651 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7652 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7653 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7654 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7655 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7656 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7657 defined.
7658
7659 @item
7660 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7661 which are the two constructors we declared.
7662
7663 @end itemize
7664
7665 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7666
7667 @example
7668 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7669 @end example
7670
7671 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7672 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7673 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7674 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7675 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7676 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7677 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7678 to the right value manually.
7679
7680 In the default constructor you should set all other member variables to
7681 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7682 member gets set to an empty string automatically).
7683
7684 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7685 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7686 is really simple.  First, the archiving function:
7687
7688 @example
7689 void mystring::archive(archive_node &n) const
7690 @{
7691     inherited::archive(n);
7692     n.add_string("string", str);
7693 @}
7694 @end example
7695
7696 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7697 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7698 deem necessary for representing the object into the passed
7699 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7700 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7701 file.
7702
7703 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7704 function:
7705
7706 @example
7707 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7708 @{
7709     n.find_string("string", str);
7710 @}
7711 @end example
7712
7713 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7714 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7715 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7716 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7717
7718 Finally, the unarchiving function:
7719
7720 @example
7721 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7722 @{
7723     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7724 @}
7725 @end example
7726
7727 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7728 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7729 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7730 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7731 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7732 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7733 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7734 automatically once it is no longer referenced.
7735
7736 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7737 the string members:
7738
7739 @example
7740 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7741 @{
7742     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7743     int cmpval = str.compare(o.str);
7744     if (cmpval == 0)
7745         return 0;
7746     else if (cmpval < 0)
7747         return -1;
7748     else
7749         return 1;
7750 @}
7751 @end example
7752
7753 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7754 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7755 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7756 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7757 all relevant member variables.
7758
7759 Now the only thing missing is our two new constructors:
7760
7761 @example
7762 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7763 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7764 @end example
7765
7766 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7767 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7768
7769 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7770 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7771
7772 @example
7773 ex e = mystring("Hello, world!");
7774 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7775  // -> 1 (true)
7776
7777 cout << e.bp->class_name() << endl;
7778  // -> mystring
7779 @end example
7780
7781 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7782
7783 @example
7784 cout << e << endl;
7785  // -> [mystring object]
7786 @end example
7787
7788 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7789 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7790 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7791 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7792 surrounded by double quotes:
7793
7794 @example
7795 class mystring : public basic
7796 @{
7797     ...
7798 protected:
7799     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7800     ...
7801 @};
7802
7803 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7804 @{
7805     // print_context::s is a reference to an ostream
7806     c.s << '\"' << str << '\"';
7807 @}
7808 @end example
7809
7810 The @code{level} argument is only required for container classes to
7811 correctly parenthesize the output.
7812
7813 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7814 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7815 replace the line
7816
7817 @example
7818 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7819 @end example
7820
7821 with
7822
7823 @example
7824 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7825   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7826 @end example
7827
7828 Let's try again to print the expression:
7829
7830 @example
7831 cout << e << endl;
7832  // -> "Hello, world!"
7833 @end example
7834
7835 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7836 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7837 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7838 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7839 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7840 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7841 way expression output is implemented in GiNaC.
7842
7843 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7844
7845 @example
7846 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7847 cout << e << endl;
7848  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7849 @end example
7850
7851 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7852
7853 @example
7854 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7855 cout << e << endl;
7856  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7857 @end example
7858
7859 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7860 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7861 for your objects.
7862
7863 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7864
7865 @example
7866 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7867 cout << e << endl;
7868  // -> "Wow"^2
7869
7870 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7871 cout << e.expand() << endl;
7872  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7873 @end example
7874
7875 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7876 concatenation. You would have to implement this yourself.
7877
7878 @subsection Automatic evaluation
7879
7880 @cindex evaluation
7881 @cindex @code{eval()}
7882 @cindex @code{hold()}
7883 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7884 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7885 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7886 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7887 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7888 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7889
7890 @example
7891 class mystring : public basic
7892 @{
7893     ...
7894 public:
7895     ex eval(int level = 0) const;
7896     ...
7897 @};
7898
7899 ex mystring::eval(int level) const
7900 @{
7901     string new_str;
7902     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7903         char c = str[i];
7904         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7905             new_str += tolower(c);
7906         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7907             new_str += c;
7908     @}
7909
7910     if (new_str.length() == 0)
7911         return 0;
7912     else
7913         return mystring(new_str).hold();
7914 @}
7915 @end example
7916
7917 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7918 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7919 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7920 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7921 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7922 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7923 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7924 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7925
7926 Let's confirm that it works:
7927
7928 @example
7929 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7930 cout << e << endl;
7931  // -> "helloworld"
7932
7933 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7934 cout << e << endl;
7935  // -> 3*"wow"
7936 @end example
7937
7938 @subsection Optional member functions
7939
7940 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7941 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7942 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7943
7944 @cindex @code{calchash()}
7945 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7946 @example
7947 unsigned calchash() const;
7948 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7949 @end example
7950
7951 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7952 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7953 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7954 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7955 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7956 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7957
7958 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7959 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7960 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7961 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7962
7963 @subsection Other member functions
7964
7965 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7966 might want to provide:
7967
7968 @example
7969 bool info(unsigned inf) const;
7970 ex evalf(int level = 0) const;
7971 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7972 ex derivative(const symbol & s) const;
7973 @end example
7974
7975 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7976 previous section) you will probably want to override
7977
7978 @cindex @code{let_op()}
7979 @example
7980 size_t nops() cont;
7981 ex op(size_t i) const;
7982 ex & let_op(size_t i);
7983 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7984 ex map(map_function & f) const;
7985 @end example
7986
7987 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7988 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7989 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7990
7991 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7992 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7993 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7994 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7995 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7996 should become a need.
7997
7998 That's it. May the source be with you!
7999
8000
8001 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8002 @c    node-name, next, previous, up
8003 @chapter A Comparison With Other CAS
8004 @cindex advocacy
8005
8006 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8007 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8008 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8009 disadvantages over these systems.
8010
8011 @menu
8012 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8013 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8014 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8015 @end menu
8016
8017 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8018 @c    node-name, next, previous, up
8019 @section Advantages
8020
8021 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8022 Algebra Systems, like 
8023
8024 @itemize @bullet
8025
8026 @item
8027 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8028 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8029 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8030 in common C++, which is standardized.
8031
8032 @cindex STL
8033 @item
8034 structured data types: you can build up structured data types using
8035 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8036 using unnamed lists of lists of lists.
8037
8038 @item
8039 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8040 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8041 nice for novice programmers, but dangerous.
8042     
8043 @item
8044 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8045 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8046 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8047
8048 @item
8049 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8050 separating interface and implementation.
8051
8052 @item
8053 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8054 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8055 C++-compilers for free, too.
8056     
8057 @item
8058 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8059 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8060 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8061 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8062 fix bugs in a traditional system.
8063
8064 @item
8065 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8066 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8067 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8068 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8069 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8070 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8071 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8072 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8073 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8074 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8075 FTP-site.
8076
8077 @item
8078 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8079 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8080 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8081 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8082 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8083 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8084 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8085 system (i.e. @emph{Yacas}).
8086
8087 @item
8088 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8089 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8090 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8091 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8092 speed with other CAS.
8093
8094 @end itemize
8095
8096
8097 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8098 @c    node-name, next, previous, up
8099 @section Disadvantages
8100
8101 Of course it also has some disadvantages:
8102
8103 @itemize @bullet
8104
8105 @item
8106 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8107 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8108 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8109 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8110 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8111 not planned for the near future).
8112
8113 @item
8114 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8115 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8116 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8117 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8118 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8119 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8120 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8121 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8122 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8123 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8124 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8125 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8126 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8127 yet ANSI compliant, support all needed features.
8128     
8129 @end itemize
8130
8131
8132 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8133 @c    node-name, next, previous, up
8134 @section Why C++?
8135
8136 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8137 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8138 possible), separation between interface and implementation is not
8139 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8140 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8141 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8142 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8143 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8144 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8145 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8146 any other programming language.
8147
8148
8149 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8150 @c    node-name, next, previous, up
8151 @appendix Internal Structures
8152
8153 @menu
8154 * Expressions are reference counted::
8155 * Internal representation of products and sums::
8156 @end menu
8157
8158 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8159 @c    node-name, next, previous, up
8160 @appendixsection Expressions are reference counted
8161
8162 @cindex reference counting
8163 @cindex copy-on-write
8164 @cindex garbage collection
8165 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8166 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8167 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8168 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8169 skip the rest of this passage.
8170
8171 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8172 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8173 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8174 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8175 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8176 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8177 of code:
8178
8179 @example
8180 #include <iostream>
8181 #include <ginac/ginac.h>
8182 using namespace std;
8183 using namespace GiNaC;
8184
8185 int main()
8186 @{
8187     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8188     ex e1, e2;
8189
8190     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8191     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8192     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8193     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8194     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8195 @}
8196 @end example
8197
8198 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8199 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8200 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8201 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8202 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8203 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8204 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8205 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8206 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8207 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8208 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8209 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8210 can be:
8211
8212 @example
8213 @{
8214     symbol x("x"), y("y");
8215
8216     ex e1 = x + 3*y;
8217     ex e2 = pow(e1, 3);
8218     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8219     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8220          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8221          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8222 @}
8223 @end example
8224
8225 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8226 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8227 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8228 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8229 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8230 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8231 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8232 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8233 @code{3*e1^2}.
8234
8235 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8236 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8237 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8238 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8239 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8240 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8241 semantics, we recommend you have a look at the
8242 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8243 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8244 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8245
8246
8247 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8248 @c    node-name, next, previous, up
8249 @appendixsection Internal representation of products and sums
8250
8251 @cindex representation
8252 @cindex @code{add}
8253 @cindex @code{mul}
8254 @cindex @code{power}
8255 Although it should be completely transparent for the user of
8256 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8257 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8258 unexpanded symbolic expression 
8259 @tex
8260 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8261 @end tex
8262 @ifnottex
8263 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8264 @end ifnottex
8265 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8266 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8267 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8268 fashion:
8269
8270 @image{repnaive}
8271
8272 @cindex pair-wise representation
8273 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8274 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8275 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8276 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8277 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8278 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8279 becomes much more flat:
8280
8281 @image{reppair}
8282
8283 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8284 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8285 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8286 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8287 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8288 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8289 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8290 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8291 representation, however, since they are still carrying a trivial
8292 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8293 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8294 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8295 representation for
8296 @tex
8297 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8298 @end tex
8299 @ifnottex
8300 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8301 @end ifnottex
8302
8303 @image{repreal}
8304
8305 @cindex radical
8306 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8307 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8308 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8309 same abstract class: the data representation is the same, only the
8310 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8311 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8312 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8313
8314
8315 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8316 @c    node-name, next, previous, up
8317 @appendix Package Tools
8318
8319 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8320 setting the correct command line options for the compiler and linker
8321 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8322
8323 @menu
8324 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8325 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8326 @end menu
8327
8328
8329 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8330 @c    node-name, next, previous, up
8331 @section @command{ginac-config}
8332 @cindex ginac-config
8333
8334 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8335 the compiler and linker command line options required to compile and
8336 link a program with the GiNaC library.
8337
8338 @command{ginac-config} takes the following flags:
8339
8340 @table @samp
8341 @item --version
8342 Prints out the version of GiNaC installed.
8343 @item --cppflags
8344 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8345 @item --libs
8346 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8347 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8348 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8349 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8350 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8351 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8352 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8353 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8354 @end table
8355
8356 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8357 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8358 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8359 example:
8360
8361 @example
8362 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8363 @end example
8364
8365 This command line might expand to (for example):
8366
8367 @example
8368 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8369   -lginac -lcln -lstdc++
8370 @end example
8371
8372 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8373 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8374
8375
8376 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8377 @c    node-name, next, previous, up
8378 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8379 @cindex AM_PATH_GINAC
8380
8381 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8382 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8383
8384 @example
8385 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8386               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8387 @end example
8388
8389 This macro:
8390
8391 @itemize @bullet
8392
8393 @item
8394 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8395 either found in the user's path, or from the environment variable
8396 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8397
8398 @item
8399 Tests the installed libraries to make sure that their version
8400 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8401 if not specified)
8402
8403 @item
8404 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8405 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8406 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8407 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8408 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8409
8410 @item
8411 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8412 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8413
8414 @end itemize
8415
8416 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8417 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8418 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8419 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8420 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8421
8422 @menu
8423 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8424 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8425 @end menu
8426
8427
8428 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8429 @c    node-name, next, previous, up
8430 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8431
8432 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8433 the configure script.
8434
8435 Notes:
8436
8437 @itemize @bullet
8438
8439 @item
8440 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8441 to be found by your system's dynamic linker.
8442   
8443 This is generally done by
8444
8445 @display
8446 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8447 @end display
8448
8449 or by
8450    
8451 @display
8452 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8453 @end display
8454
8455 or, as a last resort, 
8456  
8457 @display
8458 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8459 running configure, for instance:
8460
8461 @example
8462 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8463 @end example
8464 @end display
8465
8466 @item
8467 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8468 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8469 name of the executable
8470
8471 @item
8472 If you move the GiNaC package from its installed location,
8473 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8474 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8475
8476 @end itemize
8477
8478 Advanced note:
8479
8480 @itemize @bullet
8481 @item
8482 configure flags
8483   
8484 @example
8485 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8486 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8487 @end example
8488
8489 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8490 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8491 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8492 @end itemize
8493
8494
8495 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8496 @c    node-name, next, previous, up
8497 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8498
8499 The following shows how to build a simple package using automake
8500 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8501
8502 @example
8503 #include <iostream>
8504 #include <ginac/ginac.h>
8505
8506 int main()
8507 @{
8508     GiNaC::symbol x("x");
8509     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8510     std::cout << "Derivative of " << a 
8511               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8512     return 0;
8513 @}
8514 @end example
8515
8516 You should first read the introductory portions of the automake
8517 Manual, if you are not already familiar with it.
8518
8519 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8520 configure script:
8521
8522 @example
8523 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8524 AC_INIT(simple.cpp)
8525 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8526
8527 AC_PROG_CXX
8528 AC_PROG_INSTALL
8529 AC_LANG_CPLUSPLUS
8530
8531 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8532   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8533   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8534 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8535
8536 AC_OUTPUT(Makefile)
8537 @end example
8538
8539 The only command in this which is not standard for automake
8540 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8541
8542 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8543 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8544 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8545 the error message `need to have GiNaC installed'
8546
8547 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8548
8549 @example
8550 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8551 bin_PROGRAMS = simple
8552 simple_SOURCES = simple.cpp
8553 @end example
8554
8555 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8556 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8557 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8558 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8559 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8560 adding the lines:
8561
8562 @example
8563 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8564 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8565 @end example
8566
8567 to the @file{Makefile.am}.
8568
8569 To try this example out, create a new directory and add the three
8570 files above to it.
8571
8572 Now execute the following commands:
8573
8574 @example
8575 $ automake --add-missing
8576 $ aclocal
8577 $ autoconf
8578 @end example
8579
8580 You now have a package that can be built in the normal fashion
8581
8582 @example
8583 $ ./configure
8584 $ make
8585 $ make install
8586 @end example
8587
8588
8589 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8590 @c    node-name, next, previous, up
8591 @appendix Bibliography
8592
8593 @itemize @minus{}
8594
8595 @item
8596 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8597
8598 @item
8599 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8600
8601 @item
8602 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8603
8604 @item
8605 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8606
8607 @item
8608 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8609 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8610
8611 @item
8612 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8613 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8614 Academic Press, London
8615
8616 @item
8617 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8618 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8619
8620 @item
8621 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8622 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8623
8624 @item
8625 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8626 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8627
8628 @item
8629 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8630
8631 @end itemize
8632
8633
8634 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8635 @c    node-name, next, previous, up
8636 @unnumbered Concept Index
8637
8638 @printindex cp
8639
8640 @bye