]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
62da18ceb5cebb28cb74099084ccfc83930d9ba6
[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 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2023 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{https://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2023 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{https://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{} 1999-2023 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 -lginac -lcln
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, factorized, and normalized (i.e. converted to a ratio of
376 two coprime 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 > factor(%);
386 (4*x*y+x^2-y^2)^2*(x^2+3*y^2)
387 > collect(a+b,x);
388 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
389 > collect(a+b,y);
390 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
391 > normal(a/b);
392 3*y^2+x^2
393 @end example
394
395 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
396 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
397
398 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
399 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
400 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
401 order):
402
403 @cindex Zeta function
404 @example
405 > diff(tan(x),x);
406 tan(x)^2+1
407 > series(sin(x),x==0,4);
408 x-1/6*x^3+Order(x^4)
409 > series(1/tan(x),x==0,4);
410 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
411 > series(tgamma(x),x==0,3);
412 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
413 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
414 > evalf(%);
415 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
416 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
417 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
418 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
419 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
420 @end example
421
422 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
423 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
424
425 @cindex fsolve
426 @example
427 > Digits=50:
428 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
429 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
430 > f=exp(sin(x))-x:
431 > X=fsolve(f,x,-10,10);
432 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
433 > subs(f,x==X);
434 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
435 @end example
436
437 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
438 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
439 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
440 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
441 point values.
442
443 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
444 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
445 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
446 metric system is now easy:
447
448 @example
449 > in=.0254*m;
450 0.0254*m
451 > lb=.45359237*kg;
452 0.45359237*kg
453 > 200*lb/in^2;
454 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
455 @end example
456
457
458 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
459 @c    node-name, next, previous, up
460 @chapter Installation
461
462 @cindex CLN
463 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
464 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
465 installation.
466
467 @menu
468 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
469 * Configuration::                How to configure GiNaC.
470 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
471 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
472 @end menu
473
474
475 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
476 @c    node-name, next, previous, up
477 @section Prerequisites
478
479 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
480 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
481 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
482 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
483 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
484 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
485 required for the configuration, it can be downloaded from
486 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
487 Last but not least, the CLN library
488 is used extensively and needs to be installed on your system.
489 Please get it from @uref{https://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
490 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
491 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
492 continue.
493
494
495 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
496 @c    node-name, next, previous, up
497 @section Configuration
498 @cindex configuration
499 @cindex Autoconf
500
501 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
502 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
503 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
504 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
505 prompts, all customization must be done either via command line
506 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
507 the complete set of which can be listed by calling it with the
508 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
509 described in what follows:
510
511 @itemize @bullet
512
513 @item
514 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
515 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
516 when developing because it considerably speeds up compilation.
517
518 @item
519 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
520 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
521 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
522 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
523 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
524
525 @item
526 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
527 the library installed in some other directory than
528 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
529
530 @item
531 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
532 to have the header files installed in some other directory than
533 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
534 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
535 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
536 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
537 keep the header files separated from others.  This avoids some
538 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
539 to be considered A Good Thing (tm).
540
541 @item
542 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
543 want to have the documentation installed in some other directory than
544 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
545
546 @end itemize
547
548 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
549 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
550 override the default in your path.  (The @command{configure} script
551 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
552 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
553 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
554 environment variable, like optimization, debugging information and
555 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
556 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
557 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
558 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
559 must generate @command{configure} along with the various
560 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
561 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
562
563 The whole process is illustrated in the following two
564 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
565 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
566 your login shell.)
567
568 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
569 everything is in default paths:
570
571 @example
572 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
573 $ ./configure
574 @end example
575
576 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
577 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
578 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
579 debugging information are switched on:
580
581 @example
582 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
583 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
584 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
585 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
586 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
587 @end example
588
589
590 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
591 @c    node-name, next, previous, up
592 @section Building GiNaC
593 @cindex building GiNaC
594
595 After proper configuration you should just build the whole
596 library by typing
597 @example
598 $ make
599 @end example
600 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
601 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
602 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
603 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
604
605 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
606 regression tests by typing
607
608 @example
609 $ make check
610 @end example
611
612 This will compile some sample programs, run them and check the output
613 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
614 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
615 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
616 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
617 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
618 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
619 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
620 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
621 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
622 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
623 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
624 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
625 to fiddle around with optimization.
626
627 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
628 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
629 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
630
631 @example
632 $ make html
633 $ make dvi
634 $ make ps
635 $ make pdf
636 @end example
637
638 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
639 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
640 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
641 @var{target} there in case something went wrong.
642
643
644 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
645 @c    node-name, next, previous, up
646 @section Installing GiNaC
647 @cindex installation
648
649 To install GiNaC on your system, simply type
650
651 @example
652 $ make install
653 @end example
654
655 As described in the section about configuration the files will be
656 installed in the following directories (the directories will be created
657 if they don't already exist):
658
659 @itemize @bullet
660
661 @item
662 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
663 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
664 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
665 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
666 will be established as well.
667
668 @item
669 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
670 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
671
672 @item
673 All documentation (info) will be stuffed into
674 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
675 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
676
677 @end itemize
678
679 For the sake of completeness we will list some other useful make
680 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
681 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
682 distclean} removes all files generated by the configuration and
683 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
684 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
685 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
686 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
687 work after you have called @command{make distclean} since the
688 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
689 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
690 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
691 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
692 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
693 do it by hand since you now know where all the files went during
694 installation.}.
695
696
697 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
698 @c    node-name, next, previous, up
699 @chapter Basic concepts
700
701 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
702 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
703 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
704 meta-class for storing all mathematical objects.
705
706 @menu
707 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
708 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
709 * Error handling::               How the library reports errors.
710 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
711 * Symbols::                      Symbolic objects.
712 * Numbers::                      Numerical objects.
713 * Constants::                    Pre-defined constants.
714 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
715 * Lists::                        Lists of expressions.
716 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
717 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
718 * Integrals::                    Symbolic integrals.
719 * Matrices::                     Matrices.
720 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
721 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
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() const;
843 ex basic::eval() 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 @ifnotinfo
926 @image{classhierarchy}
927 @end ifnotinfo
928 @ifinfo
929 <PICTURE MISSING>
930 @end ifinfo
931
932 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
933 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
934 duplication if two or more classes derived from them share certain
935 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
936 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
937 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
938 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
939 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
940 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
941 are stored in the different classes:
942
943 @cartouche
944 @multitable @columnfractions .22 .78
945 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
946 @item @code{constant} @tab Constants like 
947 @tex
948 $\pi$
949 @end tex
950 @ifnottex
951 @math{Pi}
952 @end ifnottex
953 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
954 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
955 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
956 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
957 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
958 @tex
959 $\sqrt{2}$
960 @end tex
961 @ifnottex
962 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
963 @end ifnottex
964 @dots{}
965 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
966 @item @code{function} @tab A symbolic function like
967 @tex
968 $\sin 2x$
969 @end tex
970 @ifnottex
971 @math{sin(2*x)}
972 @end ifnottex
973 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
974 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
975 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
976 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
977 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
978 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
979 @item @code{varidx} @tab Index with variance
980 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
981 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
982 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
983 @end multitable
984 @end cartouche
985
986
987 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
988 @c    node-name, next, previous, up
989 @section Symbols
990 @cindex @code{symbol} (class)
991 @cindex hierarchy of classes
992
993 @cindex atom
994 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
995 manipulation what atoms are for chemistry.
996
997 A typical symbol definition looks like this:
998 @example
999 symbol x("x");
1000 @end example
1001
1002 This definition actually contains three very different things:
1003 @itemize
1004 @item a C++ variable named @code{x}
1005 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1006   represents the symbol in a GiNaC expression
1007 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1008   exclusively for printing expressions holding the symbol
1009 @end itemize
1010
1011 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1012 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1013 throws them away during compilation.
1014
1015 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1016 @example
1017 symbol x;
1018 @end example
1019
1020 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1021 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1022 the output of your calculations will become more readable if you give your
1023 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1024 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1025
1026 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1027 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1028 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1029 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1030 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1031 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1032 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1033 indeterminate.
1034
1035 Observe:
1036 @example
1037 ex f(int n)
1038 @{
1039     symbol x("x");
1040     return pow(x, n);
1041 @}
1042
1043 int main()
1044 @{
1045     symbol x("x");
1046     ex e = f(6);
1047
1048     cout << e << endl;
1049      // prints "x^6" which looks right, but...
1050
1051     cout << e.degree(x) << endl;
1052      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1053      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1054      // prints "0".
1055 @}
1056 @end example
1057
1058 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1059 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1060 @example
1061 ex f(int n, const ex & x)
1062 @{
1063     return pow(x, n);
1064 @}
1065
1066 int main()
1067 @{
1068     symbol x("x");
1069
1070     // Now, f() uses the same symbol.
1071     ex e = f(6, x);
1072
1073     cout << e.degree(x) << endl;
1074      // prints "6", as expected
1075 @}
1076 @end example
1077
1078 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1079 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1080 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1081 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1082 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1083 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1084 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1085 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1086 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1087 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1088 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1089
1090 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1091 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1092 like this one:
1093 @example
1094 const symbol & get_symbol(const string & s)
1095 @{
1096     static map<string, symbol> directory;
1097     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1098     if (i != directory.end())
1099         return i->second;
1100     else
1101         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1102 @}
1103 @end example
1104
1105 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1106 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1107 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1108 this:
1109 @example
1110 ex f(int n)
1111 @{
1112     return pow(get_symbol("x"), n);
1113 @}
1114
1115 int main()
1116 @{
1117     ex e = f(6);
1118
1119     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1120     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1121      // prints "6"
1122 @}
1123 @end example
1124
1125 Instead of creating symbols from strings we could also have
1126 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1127 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1128 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1129 @code{ostringstream}.
1130
1131 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1132 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1133 definitions.
1134
1135 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1136 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1137 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1138 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1139
1140 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1141 in LaTeX output:
1142 @example
1143 symbol x("x", "\\Box");
1144 @end example
1145
1146 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1147 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1148 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1149 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1150 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1151 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1152 @cindex @code{get_name()}
1153 @cindex @code{get_TeX_name()}
1154 @example
1155 symbol::get_name() const;
1156 symbol::get_TeX_name() const;
1157 @end example
1158
1159 @cindex @code{subs()}
1160 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1161 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1162 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1163 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1164 (@pxref{Substituting expressions}).
1165
1166 @cindex @code{realsymbol()}
1167 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1168 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1169 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1170 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1171 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1172 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1173 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1174 allows you to specify
1175 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1176 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1177
1178 @cindex @code{possymbol()}
1179 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1180 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1181 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1182
1183
1184 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1185 @c    node-name, next, previous, up
1186 @section Numbers
1187 @cindex @code{numeric} (class)
1188
1189 @cindex GMP
1190 @cindex CLN
1191 @cindex rational
1192 @cindex fraction
1193 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1194 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1195 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1196 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1197 the documentation of that library.  @xref{Top,,, cln, The CLN Manual}, for
1198 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1199 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1200 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1201 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1202 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1203 several useful things: First, it introduces the complex number field
1204 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1205 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1206 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1207 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1208 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1209 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1210 calculation of some useful constants.
1211
1212 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1213 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1214 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1215 integers, construction from C-float and construction from a string:
1216
1217 @example
1218 #include <iostream>
1219 #include <ginac/ginac.h>
1220 using namespace GiNaC;
1221
1222 int main()
1223 @{
1224     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1225     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1226     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1227     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1228     // Trott's constant in scientific notation:
1229     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1230     
1231     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1232     ...
1233 @end example
1234
1235 @cindex @code{I}
1236 @cindex complex numbers
1237 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1238 name @code{I}:
1239
1240 @example
1241     ...
1242     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1243     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1244 @}
1245 @end example
1246
1247 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1248 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1249 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1250 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1251 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1252 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1253 also.
1254
1255 @cindex @code{Digits}
1256 @cindex accuracy
1257 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1258 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1259 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1260 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1261 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1262 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1263 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1264 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1265 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1266 digits:
1267
1268 @example
1269 #include <iostream>
1270 #include <ginac/ginac.h>
1271 using namespace std;
1272 using namespace GiNaC;
1273
1274 void foo()
1275 @{
1276     numeric three(3.0), one(1.0);
1277     numeric x = one/three;
1278
1279     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1280     cout << x << endl;
1281     cout << Pi.evalf() << endl;
1282 @}
1283
1284 int main()
1285 @{
1286     foo();
1287     Digits = 60;
1288     foo();
1289     return 0;
1290 @}
1291 @end example
1292
1293 The above example prints the following output to screen:
1294
1295 @example
1296 in 17 digits:
1297 0.33333333333333333334
1298 3.1415926535897932385
1299 in 60 digits:
1300 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1301 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1302 @end example
1303
1304 @cindex rounding
1305 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1306 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1307 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1308 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1309 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1310 architectures with different word size, the above output might even
1311 differ with regard to actually computed digits.
1312
1313 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1314 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1315 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1316
1317 @subsection Tests on numbers
1318
1319 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1320 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1321 kind of information from them like asking whether that number is
1322 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1323 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1324 certain CLN functions.)
1325
1326 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1327 some multiple of its denominator and test what comes out:
1328
1329 @example
1330 #include <iostream>
1331 #include <ginac/ginac.h>
1332 using namespace std;
1333 using namespace GiNaC;
1334
1335 // some very important constants:
1336 const numeric twentyone(21);
1337 const numeric ten(10);
1338 const numeric five(5);
1339
1340 int main()
1341 @{
1342     numeric answer = twentyone;
1343
1344     answer /= five;
1345     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1346     answer *= ten;
1347     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1348 @}
1349 @end example
1350
1351 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1352 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1353 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1354 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1355 the result is automatically converted to a pure integer again.
1356 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1357 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1358 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1359 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1360 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1361 can be applied is listed in the following table.
1362
1363 @cartouche
1364 @multitable @columnfractions .30 .70
1365 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1366 @item @code{.is_zero()}
1367 @tab @dots{}equal to zero
1368 @item @code{.is_positive()}
1369 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1370 @item @code{.is_negative()}
1371 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1372 @item @code{.is_integer()}
1373 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1374 @item @code{.is_pos_integer()}
1375 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1376 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1377 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1378 @item @code{.is_even()}
1379 @tab @dots{}an even integer
1380 @item @code{.is_odd()}
1381 @tab @dots{}an odd integer
1382 @item @code{.is_prime()}
1383 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1384 @item @code{.is_rational()}
1385 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1386 @item @code{.is_real()}
1387 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1388 @item @code{.is_cinteger()}
1389 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1390 @item @code{.is_crational()}
1391 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1392 @end multitable
1393 @end cartouche
1394
1395 @page
1396
1397 @subsection Numeric functions
1398
1399 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1400 evaluated immediately:
1401
1402 @cartouche
1403 @multitable @columnfractions .30 .70
1404 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1405 @item @code{inverse(z)}
1406 @tab returns @math{1/z}
1407 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1408 @item @code{pow(a, b)}
1409 @tab exponentiation @math{a^b}
1410 @item @code{abs(z)}
1411 @tab absolute value
1412 @item @code{real(z)}
1413 @tab real part
1414 @cindex @code{real()}
1415 @item @code{imag(z)}
1416 @tab imaginary part
1417 @cindex @code{imag()}
1418 @item @code{csgn(z)}
1419 @tab complex sign (returns an @code{int})
1420 @item @code{step(x)}
1421 @tab step function (returns an @code{numeric})
1422 @item @code{numer(z)}
1423 @tab numerator of rational or complex rational number
1424 @item @code{denom(z)}
1425 @tab denominator of rational or complex rational number
1426 @item @code{sqrt(z)}
1427 @tab square root
1428 @item @code{isqrt(n)}
1429 @tab integer square root
1430 @cindex @code{isqrt()}
1431 @item @code{sin(z)}
1432 @tab sine
1433 @item @code{cos(z)}
1434 @tab cosine
1435 @item @code{tan(z)}
1436 @tab tangent
1437 @item @code{asin(z)}
1438 @tab inverse sine
1439 @item @code{acos(z)}
1440 @tab inverse cosine
1441 @item @code{atan(z)}
1442 @tab inverse tangent
1443 @item @code{atan(y, x)}
1444 @tab inverse tangent with two arguments
1445 @item @code{sinh(z)}
1446 @tab hyperbolic sine
1447 @item @code{cosh(z)}
1448 @tab hyperbolic cosine
1449 @item @code{tanh(z)}
1450 @tab hyperbolic tangent
1451 @item @code{asinh(z)}
1452 @tab inverse hyperbolic sine
1453 @item @code{acosh(z)}
1454 @tab inverse hyperbolic cosine
1455 @item @code{atanh(z)}
1456 @tab inverse hyperbolic tangent
1457 @item @code{exp(z)}
1458 @tab exponential function
1459 @item @code{log(z)}
1460 @tab natural logarithm
1461 @item @code{Li2(z)}
1462 @tab dilogarithm
1463 @item @code{zeta(z)}
1464 @tab Riemann's zeta function
1465 @item @code{tgamma(z)}
1466 @tab gamma function
1467 @item @code{lgamma(z)}
1468 @tab logarithm of gamma function
1469 @item @code{psi(z)}
1470 @tab psi (digamma) function
1471 @item @code{psi(n, z)}
1472 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1473 @item @code{factorial(n)}
1474 @tab factorial function @math{n!}
1475 @item @code{doublefactorial(n)}
1476 @tab double factorial function @math{n!!}
1477 @cindex @code{doublefactorial()}
1478 @item @code{binomial(n, k)}
1479 @tab binomial coefficients
1480 @item @code{bernoulli(n)}
1481 @tab Bernoulli numbers
1482 @cindex @code{bernoulli()}
1483 @item @code{fibonacci(n)}
1484 @tab Fibonacci numbers
1485 @cindex @code{fibonacci()}
1486 @item @code{mod(a, b)}
1487 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1488 @cindex @code{mod()}
1489 @item @code{smod(a, b)}
1490 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1491 @cindex @code{smod()}
1492 @item @code{irem(a, b)}
1493 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1494 @cindex @code{irem()}
1495 @item @code{irem(a, b, q)}
1496 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1497 @item @code{iquo(a, b)}
1498 @tab integer quotient
1499 @cindex @code{iquo()}
1500 @item @code{iquo(a, b, r)}
1501 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1502 @item @code{gcd(a, b)}
1503 @tab greatest common divisor
1504 @item @code{lcm(a, b)}
1505 @tab least common multiple
1506 @end multitable
1507 @end cartouche
1508
1509 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1510 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1511 as polynomial algorithms.
1512
1513 @subsection Converting numbers
1514
1515 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1516 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1517 class provides a couple of methods for this purpose:
1518
1519 @cindex @code{to_int()}
1520 @cindex @code{to_long()}
1521 @cindex @code{to_double()}
1522 @cindex @code{to_cl_N()}
1523 @example
1524 int numeric::to_int() const;
1525 long numeric::to_long() const;
1526 double numeric::to_double() const;
1527 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1528 @end example
1529
1530 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1531 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1532 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1533 rational number will return a floating-point approximation. Both
1534 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1535 part of complex numbers.
1536
1537 Note the signature of the above methods, you may need to apply a type
1538 conversion and call @code{evalf()} as shown in the following example:
1539 @example
1540     ...
1541     ex e1 = 1, e2 = sin(Pi/5);
1542     cout << ex_to<numeric>(e1).to_int() << endl
1543          << ex_to<numeric>(e2.evalf()).to_double() << endl;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1548 @c    node-name, next, previous, up
1549 @section Constants
1550 @cindex @code{constant} (class)
1551
1552 @cindex @code{Pi}
1553 @cindex @code{Catalan}
1554 @cindex @code{Euler}
1555 @cindex @code{evalf()}
1556 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1557 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1558
1559 The predefined known constants are:
1560
1561 @cartouche
1562 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1563 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1564 @item @code{Pi}
1565 @tab Archimedes' constant
1566 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1567 @item @code{Catalan}
1568 @tab Catalan's constant
1569 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1570 @item @code{Euler}
1571 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1572 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1573 @end multitable
1574 @end cartouche
1575
1576
1577 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1578 @c    node-name, next, previous, up
1579 @section Sums, products and powers
1580 @cindex polynomial
1581 @cindex @code{add}
1582 @cindex @code{mul}
1583 @cindex @code{power}
1584
1585 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1586 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1587 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1588 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1589 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1590 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1591 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1592 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1593
1594 @example
1595     ...
1596     symbol a("a"), b("b");
1597     ex MyTerm = 1+a*b;
1598     ...
1599 @end example
1600
1601 @cindex @code{pow()}
1602 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1603 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1604 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1605 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1606 have several counterintuitive and undesired effects:
1607
1608 @itemize @bullet
1609 @item
1610 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1611 @item
1612 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1613 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1614 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1615 @item
1616 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1617 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1618 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1619 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1620 has requested @code{2^3}.)
1621 @end itemize
1622
1623 @cindex @command{ginsh}
1624 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1625 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1626 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1627 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1628 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1629 not exist at all in C++).
1630
1631 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1632 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1633 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1634 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1635 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1636 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1637 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1638 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1639 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1640 @code{x} negative.
1641
1642 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1643 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1644 and safe simplifications are carried out like transforming
1645 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1646
1647
1648 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1649 @c    node-name, next, previous, up
1650 @section Lists of expressions
1651 @cindex @code{lst} (class)
1652 @cindex lists
1653 @cindex @code{nops()}
1654 @cindex @code{op()}
1655 @cindex @code{append()}
1656 @cindex @code{prepend()}
1657 @cindex @code{remove_first()}
1658 @cindex @code{remove_last()}
1659 @cindex @code{remove_all()}
1660
1661 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1662 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1663 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1664 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1665 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1666
1667 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1668
1669 @example
1670 @{
1671     symbol x("x"), y("y");
1672     lst l = @{x, 2, y, x+y@};
1673     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1674     // in that order
1675     ...
1676 @end example
1677
1678 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1679 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1680 individual elements:
1681
1682 @example
1683     ...
1684     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1685     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1686     ...
1687 @end example
1688
1689 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1690 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1691 sequential access to the elements of a list is possible with the
1692 iterator types provided by the @code{lst} class:
1693
1694 @example
1695 typedef ... lst::const_iterator;
1696 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1697 lst::const_iterator lst::begin() const;
1698 lst::const_iterator lst::end() const;
1699 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1700 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1701 @end example
1702
1703 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1704
1705 @example
1706     ...
1707     // O(N)
1708     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1709         cout << *i << endl;
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 which is one order faster than
1714
1715 @example
1716     ...
1717     // O(N^2)
1718     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1719         cout << l.op(i) << endl;
1720     ...
1721 @end example
1722
1723 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1724 the C++ standard library:
1725
1726 @example
1727     ...
1728     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1729     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1730
1731     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1732     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1733     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1738 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1743     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1748 and @code{prepend()} methods:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1754     ...
1755 @end example
1756
1757 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1758 and @code{remove_last()}:
1759
1760 @example
1761     ...
1762     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1763     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1764     ...
1765 @end example
1766
1767 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     l.remove_all();     // l is now empty
1772     ...
1773 @end example
1774
1775 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1776
1777 @example
1778     ...
1779     lst l1 = @{x, 2, y, x+y@};
1780     lst l2 = @{2, x+y, x, y@};
1781     l1.sort();
1782     l2.sort();
1783     // l1 and l2 are now equal
1784     ...
1785 @end example
1786
1787 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1788 elements with @code{unique()}:
1789
1790 @example
1791     ...
1792     lst l3 = @{x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x@};
1793     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1794 @}
1795 @end example
1796
1797
1798 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1799 @c    node-name, next, previous, up
1800 @section Mathematical functions
1801 @cindex @code{function} (class)
1802 @cindex trigonometric function
1803 @cindex hyperbolic function
1804
1805 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1806 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1807 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1808
1809 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1810 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1811 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1812 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1813 the next example, showing how a function returns itself twice and
1814 finally an expression that may be really useful:
1815
1816 @cindex Gamma function
1817 @cindex @code{subs()}
1818 @example
1819     ...
1820     symbol x("x"), y("y");    
1821     ex foo = x+y/2;
1822     cout << tgamma(foo) << endl;
1823      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1824     ex bar = foo.subs(y==1);
1825     cout << tgamma(bar) << endl;
1826      // -> tgamma(x+1/2)
1827     ex foobar = bar.subs(x==7);
1828     cout << tgamma(foobar) << endl;
1829      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1830     ...
1831 @end example
1832
1833 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1834 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1835 this.
1836
1837 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1838 functions, where the argument list is templated.  This means that
1839 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1840 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1841 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1842 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1843 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1844 point number of class @code{numeric} you should call
1845 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1846 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1847 wrapped inside an @code{ex}.
1848
1849
1850 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1851 @c    node-name, next, previous, up
1852 @section Relations
1853 @cindex @code{relational} (class)
1854
1855 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1856 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1857 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1858 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1859 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1860 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1861
1862 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1863 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1864 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1865 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1866 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1867 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1868 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1869 unknown variables.
1870
1871 But the most common usage of objects of this class
1872 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1873 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1874 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1875 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1876 @code{expand()} must be called explicitly.
1877
1878 Simplifications of
1879 relationals may be more efficient if preceded by a call to
1880 @example
1881 ex relational::canonical() const
1882 @end example
1883 which returns an equivalent relation with the zero
1884 right-hand side. For example:
1885 @example
1886 possymbol p("p");
1887 relational rel = (p >= (p*p-1)/p);
1888 if (ex_to<relational>(rel.canonical().normal()))
1889         cout << "correct inequality" << endl;
1890 @end example
1891 However, a user shall not expect that any inequality can be fully
1892 resolved by GiNaC.
1893
1894 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1895 @c    node-name, next, previous, up
1896 @section Integrals
1897 @cindex @code{integral} (class)
1898
1899 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1900 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1901 1, you would write this as
1902 @example
1903 integral(x, 0, 1, x*x)
1904 @end example
1905 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1906 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1907 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1908 can be evaluated symbolically by calling the
1909 @example
1910 .eval_integ()
1911 @end example
1912 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1913 @example
1914 .evalf()
1915 @end example
1916 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1917 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1918 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1919 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1920 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1921 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1922 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1923 integrals is determined by the static member variable
1924 @example
1925 ex integral::relative_integration_error
1926 @end example
1927 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1928 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1929 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1930 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1931 variable
1932 @example
1933 int integral::max_integration_level
1934 @end example
1935 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1936 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1937 evaluation, is also available as
1938 @example
1939 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1940                    const ex & error)
1941 @end example
1942 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1943 last parameter of the function is optional and defaults to the
1944 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1945 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1946 a lookup table is used.
1947
1948 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1949 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1950 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1951 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1952 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1953 with respect to the integration variable.
1954
1955 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1956 @c    node-name, next, previous, up
1957 @section Matrices
1958 @cindex @code{matrix} (class)
1959
1960 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1961 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1962 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1963 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1964
1965 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1966 elements. The constructor
1967
1968 @example
1969 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1970 @end example
1971
1972 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1973 set to zero.
1974
1975 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1976 initializer lists, all of the same size:
1977
1978 @example
1979 @{
1980     matrix m = @{@{1, -a@},
1981                 @{a,  1@}@};
1982 @}
1983 @end example
1984
1985 You can also specify the elements as a (flat) list with
1986
1987 @example
1988 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1989 @end example
1990
1991 The function
1992
1993 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1994 @example
1995 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1996 @end example
1997
1998 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1999
2000 There is also a set of functions for creating some special types of
2001 matrices:
2002
2003 @cindex @code{diag_matrix()}
2004 @cindex @code{unit_matrix()}
2005 @cindex @code{symbolic_matrix()}
2006 @example
2007 ex diag_matrix(const lst & l);
2008 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
2009 ex unit_matrix(unsigned x);
2010 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
2011 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
2012 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
2013                    const string & tex_base_name);
2014 @end example
2015
2016 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
2017 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
2018 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
2019 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
2020 and the position of each element in the matrix.
2021
2022 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
2023 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
2024 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
2025 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
2026 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
2027 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2028
2029 @cindex @code{sub_matrix()}
2030 @cindex @code{reduced_matrix()}
2031 @example
2032 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2033 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2034 @end example
2035
2036 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2037 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2038 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2039 that specify which row and column to remove:
2040
2041 @example
2042 @{
2043     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2044                 @{21, 22, 23@},
2045                 @{31, 32, 33@}@};
2046     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2047     // -> [[11,13],[31,33]]
2048     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2049     // -> [[22,23],[32,33]]
2050 @}
2051 @end example
2052
2053 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2054 operator:
2055
2056 @example
2057 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2058 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2059 @end example
2060
2061 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2062 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2063 @samp{[]} is not available.
2064
2065 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2066
2067 @example
2068 @{
2069     symbol a("a"), b("b");
2070
2071     matrix M = @{@{a, 0@},
2072                 @{0, b@}@};
2073     cout << M << endl;
2074      // -> [[a,0],[0,b]]
2075
2076     matrix M2(2, 2);
2077     M2(0, 0) = a;
2078     M2(1, 1) = b;
2079     cout << M2 << endl;
2080      // -> [[a,0],[0,b]]
2081
2082     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2083      // -> [[a,0],[0,b]]
2084
2085     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2086      // -> [[a,0],[0,b]]
2087
2088     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2089      // -> [[a,0],[0,b]]
2090
2091     cout << unit_matrix(3) << endl;
2092      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2093
2094     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2095      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2096 @}
2097 @end example
2098
2099 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2100 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2101 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2102 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2103 expression is zero or a zero matrix.
2104
2105 @cindex @code{transpose()}
2106 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2107 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2108
2109 @example
2110 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2111 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2112 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2113 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2114 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2115 matrix matrix::transpose() const;
2116 @end example
2117
2118 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2119 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2120 and @math{C}:
2121
2122 @example
2123 @{
2124     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2125                 @{ 3, 4@}@};
2126     matrix B = @{@{-1, 0@},
2127                 @{ 2, 1@}@};
2128     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2129                 @{ 2, 1@}@};
2130
2131     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2132     cout << result << endl;
2133      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2134     ...
2135 @}
2136 @end example
2137
2138 @cindex @code{evalm()}
2139 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2140 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2141 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2142 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2143 method
2144
2145 @example
2146 ex ex::evalm() const;
2147 @end example
2148
2149 to obtain the result:
2150
2151 @example
2152 @{
2153     ...
2154     ex e = A*B - 2*C;
2155     cout << e << endl;
2156      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2157     cout << e.evalm() << endl;
2158      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2159     ...
2160 @}
2161 @end example
2162
2163 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2164 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2165 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2166 dealing with non-commutative expressions.
2167
2168 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2169 to perform the arithmetic:
2170
2171 @example
2172 @{
2173     ...
2174     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2175     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2176     cout << e << endl;
2177      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2178     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2179      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2180 @}
2181 @end example
2182
2183 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2184 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2185 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2186 more information about using matrices with indices, and about indices in
2187 general.
2188
2189 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2190 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2191
2192 @cindex @code{determinant()}
2193 @cindex @code{trace()}
2194 @cindex @code{charpoly()}
2195 @cindex @code{rank()}
2196 @example
2197 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2198 ex matrix::trace() const;
2199 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2200 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2201 @end example
2202
2203 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2204 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2205 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2206 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2207 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2208 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2209 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2210 to give the result most quickly.
2211
2212 @cindex @code{solve()}
2213 Linear systems can be solved with:
2214
2215 @example
2216 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2217                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2218 @end example
2219
2220 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2221 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2222 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2223 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2224 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2225 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2226 overdetermined, an exception is thrown.
2227
2228 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2229 To invert a matrix, use the method:
2230
2231 @example
2232 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2233 @end example
2234
2235 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2236 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2237
2238 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2239 @c    node-name, next, previous, up
2240 @section Indexed objects
2241
2242 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2243 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2244 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2245 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2246
2247 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2248 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2249 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2250 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2251
2252 @cindex @code{idx} (class)
2253 @cindex @code{indexed} (class)
2254 @subsection Indexed quantities and their indices
2255
2256 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2257 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2258
2259 @itemize @bullet
2260
2261 @cindex contravariant
2262 @cindex covariant
2263 @cindex variance
2264 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2265 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2266 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2267 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2268 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2269 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2270
2271 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2272 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2273 one or more indices.
2274
2275 @end itemize
2276
2277 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2278 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2279 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2280 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2281 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2282 not visible in the output.
2283
2284 A simple example shall illustrate the concepts:
2285
2286 @example
2287 #include <iostream>
2288 #include <ginac/ginac.h>
2289 using namespace std;
2290 using namespace GiNaC;
2291
2292 int main()
2293 @{
2294     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2295     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2296
2297     symbol A("A");
2298     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2299      // -> A.i.j
2300     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2301      // -> A.i[3].j[3]
2302     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2303     ...
2304 @end example
2305
2306 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2307 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2308 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2309 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2310 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2311 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2312 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2313 @code{j}.
2314
2315 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2316 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2317 as shown above.
2318
2319 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2320 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2321 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2322 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2323 correct and will raise an exception:
2324
2325 @example
2326 symbol i("i"), j("j");
2327 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2328 @end example
2329
2330 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2331 be numeric, and index dimensions symbolic:
2332
2333 @example
2334     ...
2335     symbol B("B"), dim("dim");
2336     cout << 4 * indexed(A, i)
2337           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2338      // -> B.j.2.i+4*A.i
2339     ...
2340 @end example
2341
2342 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2343 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2344 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2345 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2346 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2347
2348 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2349 arbitrary expressions:
2350
2351 @example
2352     ...
2353     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2354      // -> (B+A).(1+2*i)
2355     ...
2356 @end example
2357
2358 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2359 get an error message from this but you will probably not be able to do
2360 anything useful with it.
2361
2362 @cindex @code{get_value()}
2363 @cindex @code{get_dim()}
2364 The methods
2365
2366 @example
2367 ex idx::get_value();
2368 ex idx::get_dim();
2369 @end example
2370
2371 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2372 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2373 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2374 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2375
2376 There are also the methods
2377
2378 @example
2379 bool idx::is_numeric();
2380 bool idx::is_symbolic();
2381 bool idx::is_dim_numeric();
2382 bool idx::is_dim_symbolic();
2383 @end example
2384
2385 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2386 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2387 about expressions}) returns information about the index value.
2388
2389 @cindex @code{varidx} (class)
2390 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2391
2392 @example
2393     ...
2394     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2395     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2396     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2397
2398     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2399      // -> A~mu~nu
2400     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2401      // -> A.mu~nu
2402     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2403      // -> A.mu~nu
2404     ...
2405 @end example
2406
2407 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2408 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2409 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2410 constructor. The two methods
2411
2412 @example
2413 bool varidx::is_covariant();
2414 bool varidx::is_contravariant();
2415 @end example
2416
2417 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2418 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2419 method
2420
2421 @example
2422 ex varidx::toggle_variance();
2423 @end example
2424
2425 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2426 variance. By using it you only have to define the index once.
2427
2428 @cindex @code{spinidx} (class)
2429 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2430 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2431
2432 @example
2433     ...
2434     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2435     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2436                                             // contravariant, undotted
2437     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2438     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2439     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2440
2441     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2442      // -> K~C~D
2443     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2444      // -> K.C~*D
2445     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2446      // -> K.*D~D
2447     ...
2448 @end example
2449
2450 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2451 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2452 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2453 methods
2454
2455 @example
2456 bool spinidx::is_dotted();
2457 bool spinidx::is_undotted();
2458 @end example
2459
2460 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2461 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2462 Finally, the two methods
2463
2464 @example
2465 ex spinidx::toggle_dot();
2466 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2467 @end example
2468
2469 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2470 and the same or opposite variance.
2471
2472 @subsection Substituting indices
2473
2474 @cindex @code{subs()}
2475 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2476 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2477 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2478 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2479
2480 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2481 by another index or expression:
2482
2483 @example
2484     ...
2485     ex e = indexed(A, mu_co);
2486     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2487      // -> A.mu becomes A~nu
2488     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2489      // -> A.mu becomes A~0
2490     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2491      // -> A.mu becomes A.0
2492     ...
2493 @end example
2494
2495 The third example shows that trying to replace an index with something that
2496 is not an index will substitute the index value instead.
2497
2498 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2499 another expression:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     ex e = indexed(A, mu_co);
2504     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2505      // -> A.mu becomes A.nu
2506     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2507      // -> A.mu becomes A.0
2508     ...
2509 @end example
2510
2511 As you see, with the second method only the value of the index will get
2512 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2513 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2514 whole index by another one with the new dimension.
2515
2516 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2517 expected:
2518
2519 @example
2520     ...
2521     ex e = indexed(A, mu_co);
2522     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2523      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2524     ...
2525 @end example
2526
2527 @subsection Symmetries
2528 @cindex @code{symmetry} (class)
2529 @cindex @code{sy_none()}
2530 @cindex @code{sy_symm()}
2531 @cindex @code{sy_anti()}
2532 @cindex @code{sy_cycl()}
2533
2534 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2535 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2536 that is constructed with the helper functions
2537
2538 @example
2539 symmetry sy_none(...);
2540 symmetry sy_symm(...);
2541 symmetry sy_anti(...);
2542 symmetry sy_cycl(...);
2543 @end example
2544
2545 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2546 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2547 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2548 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2549 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2550 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2551 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2552 all indices.
2553
2554 Here are some examples of symmetry definitions:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     // No symmetry:
2559     e = indexed(A, i, j);
2560     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2561     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2562
2563     // Symmetric in all three indices:
2564     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2565     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2566     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2567                                                // different canonical order
2568
2569     // Symmetric in the first two indices only:
2570     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2571     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2572
2573     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2574     // be contiguous):
2575     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2576     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2577
2578     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2579     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2580     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2581     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2582
2583     // Cyclic symmetry in all three indices:
2584     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2585     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2586
2587     // The following examples are invalid constructions that will throw
2588     // an exception at run time.
2589
2590     // An index may not appear multiple times:
2591     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2592     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2593
2594     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2595     // same number of indices:
2596     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2597
2598     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2599     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2600     ...
2601 @end example
2602
2603 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2604 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2605 full symmetry in the first six indices you would write
2606 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2607
2608 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2609 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2610
2611 @example
2612     ...
2613     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2614           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2615      // -> 2*A.j.i
2616     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2617           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2618      // -> 0
2619     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2620           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2621      // -> 0
2622     ...
2623 @end example
2624
2625 @cindex @code{get_free_indices()}
2626 @cindex dummy index
2627 @subsection Dummy indices
2628
2629 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2630 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2631 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2632 dummy nor free indices.
2633
2634 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2635 class and their value must be the same single symbol (an index like
2636 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2637 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2638 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2639
2640 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2641 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2642 of a sum are consistent:
2643
2644 @example
2645 @{
2646     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2647
2648     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2649     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2650
2651     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2652     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2653      // -> (.i,.k)
2654      // 'j' and 'l' are dummy indices
2655
2656     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2657     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2658
2659     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2660       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2661     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2662      // -> (~mu,~rho)
2663      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2664
2665     e = indexed(A, mu, mu);
2666     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2667      // -> (~mu)
2668      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2669      // variance
2670
2671     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2672     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2673      // this will throw an exception:
2674      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2675 @}
2676 @end example
2677
2678 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2679 A dummy index summation like 
2680 @tex
2681 $ a_i b^i$
2682 @end tex
2683 @ifnottex
2684 a.i b~i
2685 @end ifnottex
2686 can be expanded for indices with numeric
2687 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2688 @tex
2689 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2690 @end tex
2691 @ifnottex
2692 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2693 @end ifnottex
2694 This is performed by the function
2695
2696 @example
2697     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2698 @end example
2699
2700 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2701 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2702 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2703 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2704 @tex
2705 $ a_i b^i$
2706 @end tex
2707 @ifnottex
2708 a.i b~i
2709 @end ifnottex
2710 will be expanded to
2711 @tex
2712 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2713 @end tex
2714 @ifnottex
2715 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2716 @end ifnottex
2717
2718
2719 @cindex @code{simplify_indexed()}
2720 @subsection Simplifying indexed expressions
2721
2722 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2723 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2724 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2725 there is the method
2726
2727 @example
2728 ex ex::simplify_indexed();
2729 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2730 @end example
2731
2732 that performs some more expensive operations:
2733
2734 @itemize @bullet
2735 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2736   @code{get_free_indices()} does
2737 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2738   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2739 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2740   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2741   next section)
2742 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2743   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2744 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2745   of two tensors with a user-defined value
2746 @end itemize
2747
2748 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2749 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2750 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2751
2752 @example
2753 @{
2754     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2755     idx i(i_sym, 3);
2756
2757     scalar_products sp;
2758     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2759     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2760     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2761
2762     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2763     cout << e << endl;
2764      // -> (B+A).i*(A+C).i
2765
2766     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2767          << endl;
2768      // -> 4+C.i*B.i
2769 @}
2770 @end example
2771
2772 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2773 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2774 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2775 taken, and the expression to replace it with.
2776
2777 @cindex @code{expand()}
2778 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2779 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2780 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2781
2782 @cindex @code{tensor} (class)
2783 @subsection Predefined tensors
2784
2785 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2786 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2787 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2788 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2789 indices are specified).
2790
2791 @cindex @code{delta_tensor()}
2792 @subsubsection Delta tensor
2793
2794 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2795 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2796 @code{delta_tensor()}:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol A("A"), B("B");
2801
2802     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2803         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2804
2805     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2806          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2807     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2808      // -> B.i.j*A.i.j
2809
2810     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2811      // -> 3
2812 @}
2813 @end example
2814
2815 @cindex @code{metric_tensor()}
2816 @subsubsection General metric tensor
2817
2818 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2819 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2820 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2821 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2822
2823 @example
2824 @{
2825     symbol A("A");
2826
2827     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2828
2829     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2830     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2831      // -> A~mu~rho
2832
2833     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2834     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2835      // -> g~mu~rho
2836
2837     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2838       * metric_tensor(nu, rho);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> delta.mu~rho
2841
2842     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2843       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2844         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> 4+A.rho~rho
2847 @}
2848 @end example
2849
2850 @cindex @code{lorentz_g()}
2851 @subsubsection Minkowski metric tensor
2852
2853 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2854 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2855 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2856 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2857 @samp{eta}):
2858
2859 @example
2860 @{
2861     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2862
2863     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2864       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> 1
2867
2868     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2869       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2870     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2871      // -> -1
2872 @}
2873 @end example
2874
2875 @cindex @code{spinor_metric()}
2876 @subsubsection Spinor metric tensor
2877
2878 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2879 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2880 It is output as @samp{eps}:
2881
2882 @example
2883 @{
2884     symbol psi("psi");
2885
2886     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2887     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2888
2889     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2890     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2891      // -> psi~A
2892
2893     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2894     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2895      // -> -psi~B
2896
2897     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2898     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2899      // -> -psi.A
2900
2901     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2902     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2903      // -> psi.B
2904
2905     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2906     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2907      // -> 2
2908
2909     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2910     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2911      // -> -delta.A~C
2912 @}
2913 @end example
2914
2915 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2916
2917 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2918 @cindex @code{lorentz_eps()}
2919 @subsubsection Epsilon tensor
2920
2921 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2922 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2923 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2924 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2925 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2926 @samp{eps}.
2927
2928 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2929 dimensions:
2930
2931 @example
2932 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2933 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2934 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2935                bool pos_sig = false);
2936 @end example
2937
2938 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2939 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2940 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2941 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2942 tensor):
2943
2944 @example
2945 @{
2946     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2947            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2948     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2949         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2950     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2951      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2952
2953     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2954     symbol A("A"), B("B");
2955     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2956     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2957      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2958     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2959     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2960      // -> 0
2961 @}
2962 @end example
2963
2964 @subsection Linear algebra
2965
2966 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2967 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2968 and scalar products):
2969
2970 @example
2971 @{
2972     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2973     symbol x("x"), y("y");
2974
2975     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2976     matrix A = @{@{1, 2@},
2977                 @{3, 4@}@};
2978     matrix X = @{@{x, y@}@};
2979
2980     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2981      // -> 5
2982
2983     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2984     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2985      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2986
2987     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2988     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2989      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2990 @}
2991 @end example
2992
2993 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2994 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2995 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2996
2997 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2998 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2999 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
3000 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
3001
3002 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
3003 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
3004 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
3005 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
3006 of the metric tensor.
3007
3008
3009 @node Non-commutative objects, Methods and functions, Indexed objects, Basic concepts
3010 @c    node-name, next, previous, up
3011 @section Non-commutative objects
3012
3013 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
3014 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
3015 physics:
3016
3017 @itemize
3018 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
3019 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
3020 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
3021 @end itemize
3022
3023 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
3024 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
3025 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
3026 @ref{Matrices}.
3027
3028 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3029 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3030 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3031 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3032 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3033 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3034 by their class. Consider this example:
3035
3036 @example
3037     ...
3038     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3039     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3040     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3041     cout << e << endl;
3042      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3043     ...
3044 @end example
3045
3046 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3047 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3048 together while preserving the order of factors within each class (because
3049 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3050 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3051 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3052 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3053
3054 @cindex @code{ncmul} (class)
3055 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3056 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3057 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3058 though.
3059
3060 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3061 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3062 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3063 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3064 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3065 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3066 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3067 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3068 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3069 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3070
3071 @cindex @code{return_type()}
3072 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3073 Information about the commutativity of an object or expression can be
3074 obtained with the two member functions
3075
3076 @example
3077 unsigned      ex::return_type() const;
3078 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3079 @end example
3080
3081 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3082 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3083 expressions in GiNaC:
3084
3085 @itemize @bullet
3086 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3087   classes are of this kind.
3088 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3089   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3090   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3091   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3092   class.
3093 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3094   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3095   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3096   @code{noncommutative_composite} expressions.
3097 @end itemize
3098
3099 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3100 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3101 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3102 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3103 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3104 therefore may not commute.
3105
3106 Here are a couple of examples:
3107
3108 @cartouche
3109 @multitable @columnfractions .6 .4
3110 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3111 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3112 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3113 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3114 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3115 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3116 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3117 @end multitable
3118 @end cartouche
3119
3120 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3121 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3122 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3123 non-commutative expressions).
3124
3125
3126 @cindex @code{clifford} (class)
3127 @subsection Clifford algebra
3128
3129
3130 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3131 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3132 mathematical). 
3133
3134 @cindex @code{dirac_gamma()}
3135 @subsubsection Dirac gamma matrices
3136 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3137 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3138 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3139 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3140 constructed by the function
3141
3142 @example
3143 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3144 @end example
3145
3146 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3147 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3148 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3149 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3150 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3151 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3152
3153 @cindex @code{dirac_ONE()}
3154 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3155
3156 @example
3157 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3158 @end example
3159
3160 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3161 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3162 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3163 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3164 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3165
3166 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3167 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3168 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3169 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3170
3171 @example
3172 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3173 @end example
3174
3175 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3176 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3177 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3178 objects, constructed by
3179
3180 @example
3181 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3182 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3183 @end example
3184
3185 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3186 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3187
3188 @cindex @code{dirac_slash()}
3189 Finally, the function
3190
3191 @example
3192 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3193 @end example
3194
3195 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3196 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3197 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3198 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3199
3200 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3201 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3202 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3203
3204 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3205 for example
3206
3207 @example
3208 @{
3209     ...
3210     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3211     varidx mu(symbol("mu"), D);
3212     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3213          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3214     cout << e << endl;
3215      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3216     e = e.simplify_indexed();
3217     cout << e << endl;
3218      // -> -D*a\+2*a\
3219     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3220      // -> -2*a\
3221     ...
3222 @}
3223 @end example
3224
3225 @cindex @code{dirac_trace()}
3226 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3227 you use one of the functions
3228
3229 @example
3230 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3231                const ex & trONE = 4);
3232 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3233 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3234 @end example
3235
3236 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3237 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3238 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3239 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3240 element, which defaults to 4.
3241
3242 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3243 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3244 functional is not cyclic in
3245 @tex $D \ne 4$
3246 @end tex
3247 @ifnottex
3248 @math{D != 4}
3249 @end ifnottex
3250 dimensions when acting on
3251 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3252 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3253 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3254
3255 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3256 @tex $D \ne 4$
3257 @end tex
3258 @ifnottex
3259 @math{D != 4}
3260 @end ifnottex
3261 dimensions:
3262
3263 @example
3264 @{
3265     // 4 dimensions
3266     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3267     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3268            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3269     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3270      // -> -8*eta~rho~nu
3271 @}
3272 ...
3273 @{
3274     // D dimensions
3275     symbol D("D");
3276     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3277     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3278            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3279     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3280      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3281 @}
3282 @end example
3283
3284 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3285 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3286 QED:
3287
3288 @example
3289 @{
3290     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3291     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3292
3293     scalar_products sp;
3294     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3295     sp.add(l, q, ldotq);
3296
3297     ex e = dirac_gamma(mu) *
3298            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3299            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3300            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3301     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3302     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3303     cout << e << endl;
3304      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3305 @}
3306 @end example
3307
3308 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3309 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3310 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3311
3312 @example
3313 @{
3314     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3315     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3316     cout << e << endl;
3317      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3318
3319     e = canonicalize_clifford(e);
3320     cout << e << endl;
3321      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3322 @}
3323 @end example
3324
3325 @cindex @code{clifford_unit()}
3326 @subsubsection A generic Clifford algebra
3327
3328 A generic Clifford algebra, i.e. a
3329 @tex $2^n$
3330 @end tex
3331 @ifnottex
3332 2^n
3333 @end ifnottex
3334 dimensional algebra with
3335 generators 
3336 @tex $e_k$
3337 @end tex 
3338 @ifnottex
3339 e_k
3340 @end ifnottex
3341 satisfying the identities 
3342 @tex
3343 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3344 @end tex
3345 @ifnottex
3346 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3347 @end ifnottex
3348 for some bilinear form (@code{metric})
3349 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3350 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3351 function 
3352
3353 @example
3354     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3355 @end example
3356
3357 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3358 indexing the generators.
3359 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3360 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3361 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3362 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3363 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3364 @code{op(0)} will be used.
3365 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3366 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3367
3368 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3369 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3370 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3371 @cindex @code{get_metric()}
3372 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3373 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3374 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3375 specifies as follows:
3376
3377 @example
3378     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3379 @end example
3380
3381 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3382 Clifford number.
3383
3384 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3385 the Clifford algebra units with a call like that
3386
3387 @example
3388     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3389 @end example
3390
3391 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3392 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3393 automatically. 
3394
3395 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3396 ways. For example 
3397
3398 @example
3399 @{
3400     ... 
3401     idx i(symbol("i"), 4);
3402     realsymbol s("s");
3403     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3404     ex e = clifford_unit(i, M);
3405     ex e0 = e.subs(i == 0);
3406     ex e1 = e.subs(i == 1);
3407     ex e2 = e.subs(i == 2);
3408     ex e3 = e.subs(i == 3);
3409     ...
3410 @}
3411 @end example
3412
3413 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3414 @tex
3415 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3416 @end tex
3417 @ifnottex
3418 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3419 @code{pow(e3, 2) = s}.
3420 @end ifnottex
3421
3422 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3423 A similar effect can be achieved from the function
3424
3425 @example
3426     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3427                        unsigned char rl = 0);
3428     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3429 @end example
3430
3431 which converts a list or vector 
3432 @tex
3433 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3434 @end tex
3435 @ifnottex
3436 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3437 @end ifnottex
3438 into the
3439 Clifford number 
3440 @tex
3441 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3442 @end tex
3443 @ifnottex
3444 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3445 @end ifnottex
3446 with @samp{e.k}
3447 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3448 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3449 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3450 @cindex pseudo-vector
3451 If the number of components supplied
3452 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3453 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3454 pseudo-vector representation: 
3455 @tex
3456 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3457 @end tex
3458 @ifnottex
3459 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3460 @end ifnottex
3461
3462 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3463
3464 @example
3465 @{
3466     ...
3467     idx i(symbol("i"), 4);
3468     realsymbol s("s");
3469     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3470     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3471     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3472     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3473     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3474   ...
3475 @}
3476 @end example
3477
3478 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3479 There is the inverse function 
3480
3481 @example
3482     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3483 @end example
3484
3485 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3486 @tex
3487 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3488 @end tex
3489 @ifnottex
3490 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3491 @end ifnottex
3492 such that the expression is either vector 
3493 @tex
3494 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3495 @end tex
3496 @ifnottex
3497 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3498 @end ifnottex
3499 or pseudo-vector 
3500 @tex
3501 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3502 @end tex
3503 @ifnottex
3504 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3505 @end ifnottex
3506 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3507 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3508 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3509 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3510 @samp{v~k} are calculated as 
3511 @tex
3512 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3513 @end tex
3514 @ifnottex
3515 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3516 @end ifnottex
3517 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3518 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3519 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3520
3521 @cindex @code{clifford_prime()}
3522 @cindex @code{clifford_star()}
3523 @cindex @code{clifford_bar()}
3524 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3525
3526 @example
3527     ex clifford_prime(const ex & e)
3528     inline ex clifford_star(const ex & e)
3529     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3530 @end example
3531
3532 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3533 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3534 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3535 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3536 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3537 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3538 in a product. These functions correspond to the notations
3539 @math{e'},
3540 @tex
3541 $e^*$
3542 @end tex
3543 @ifnottex
3544 e*
3545 @end ifnottex
3546 and
3547 @tex
3548 $\overline{e}$
3549 @end tex
3550 @ifnottex
3551 @code{\bar@{e@}}
3552 @end ifnottex
3553 used in Clifford algebra textbooks.
3554
3555 @cindex @code{clifford_norm()}
3556 The function
3557
3558 @example
3559     ex clifford_norm(const ex & e);
3560 @end example
3561
3562 @cindex @code{clifford_inverse()}
3563 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3564 @tex
3565 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3566 @end tex
3567 @ifnottex
3568 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3569 @end ifnottex
3570  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3571
3572 @example
3573     ex clifford_inverse(const ex & e);
3574 @end example
3575
3576 which calculates it as 
3577 @tex
3578 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3579 @end tex
3580 @ifnottex
3581 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3582 @end ifnottex
3583  If
3584 @tex
3585 $||e|| = 0$
3586 @end tex
3587 @ifnottex
3588 @math{||e||=0}
3589 @end ifnottex
3590 then an exception is raised.
3591
3592 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3593 If a Clifford number happens to be a factor of
3594 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3595 expression by the function
3596
3597 @example
3598     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3599 @end example
3600
3601 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3602 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3603 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3604
3605 The next provided function is
3606
3607 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3608 @example
3609     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3610                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3611                             unsigned char rl = 0);
3612     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3613                             unsigned char rl = 0);
3614 @end example 
3615
3616 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3617 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3618 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3619 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3620 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3621 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3622 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3623 is either a vector or a list holding vector's components.
3624
3625 @cindex @code{clifford_max_label()}
3626 Finally the function
3627
3628 @example
3629 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3630 @end example
3631
3632 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3633 such objects are found it returns the maximal
3634 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3635 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3636 be ignored during the search.
3637  
3638 LaTeX output for Clifford units looks like
3639 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3640 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3641 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3642 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3643 @example
3644     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3645 @end example
3646 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3647 @example
3648     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3649 @end example
3650 prints units with @code{representation_label=0} as 
3651 @tex
3652 $e$,
3653 @end tex
3654 @ifnottex
3655 @code{e},
3656 @end ifnottex
3657 with @code{representation_label=1} as 
3658 @tex
3659 $\tilde{e}$
3660 @end tex
3661 @ifnottex
3662 @code{\tilde@{e@}}
3663 @end ifnottex
3664  and with @code{representation_label=2} as 
3665 @tex
3666 $\breve{e}$.
3667 @end tex
3668 @ifnottex
3669 @code{\breve@{e@}}.
3670 @end ifnottex
3671
3672 @cindex @code{color} (class)
3673 @subsection Color algebra
3674
3675 @cindex @code{color_T()}
3676 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3677 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3678 elements @math{T_a} are constructed by the function
3679
3680 @example
3681 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3682 @end example
3683
3684 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3685 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3686 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3687 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3688 not @code{varidx}.
3689
3690 @cindex @code{color_ONE()}
3691 The unity element of a color algebra is constructed by
3692
3693 @example
3694 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3695 @end example
3696
3697 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3698 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3699 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3700 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3701 GiNaC may produce incorrect results.
3702
3703 @cindex @code{color_d()}
3704 @cindex @code{color_f()}
3705 The functions
3706
3707 @example
3708 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3709 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3710 @end example
3711
3712 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3713 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3714 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3715
3716 These functions evaluate to their numerical values,
3717 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3718 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3719 goes along better with the notations used in physical literature.
3720
3721 @cindex @code{color_h()}
3722 There's an additional function
3723
3724 @example
3725 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3726 @end example
3727
3728 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3729
3730 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3731 expressions containing color objects:
3732
3733 @example
3734 @{
3735     ...
3736     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3737         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3738
3739     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3740     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3741      // -> 0
3742
3743     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3744     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3745      // -> 5/3*delta.k.l
3746
3747     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3748     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3749      // -> 3*delta.k.l
3750
3751     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3752     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3753      // -> -32/3
3754
3755     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3756     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3757      // -> -2/3*T.a
3758
3759     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3760     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3761      // -> -8/9*ONE
3762
3763     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3764     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3765      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3766     ...
3767 @end example
3768
3769 @cindex @code{color_trace()}
3770 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3771 of the functions
3772
3773 @example
3774 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3775 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3776 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3777 @end example
3778
3779 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3780 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3781 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3782 example:
3783
3784 @example
3785     ...
3786     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3787     cout << e << endl;
3788      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3789 @}
3790 @end example
3791
3792
3793 @node Methods and functions, Information about expressions, Non-commutative objects, Top
3794 @c    node-name, next, previous, up
3795 @chapter Methods and functions
3796 @cindex polynomial
3797
3798 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3799 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3800 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3801 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3802 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3803 example:
3804
3805 @example
3806     ...
3807     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3808     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3809     ...
3810 @end example
3811
3812 @cindex @code{subs()}
3813 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3814 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3815 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3816 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3817 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3818 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3819 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3820 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3821 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3822 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3823 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3824 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3825 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3826 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3827 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3828 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3829 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3830 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3831 avoided.
3832
3833 @menu
3834 * Information about expressions::
3835 * Numerical evaluation::
3836 * Substituting expressions::
3837 * Pattern matching and advanced substitutions::
3838 * Applying a function on subexpressions::
3839 * Visitors and tree traversal::
3840 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3841 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3842 * Symbolic differentiation::
3843 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3844 * Symmetrization::
3845 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3846 * Multiple polylogarithms::
3847 * Iterated integrals::
3848 * Complex expressions::
3849 * Solving linear systems of equations::
3850 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3851 @end menu
3852
3853
3854 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3855 @c    node-name, next, previous, up
3856 @section Getting information about expressions
3857
3858 @subsection Checking expression types
3859 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3860 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3861 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3862 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3863 @cindex @code{info()}
3864 @cindex @code{return_type()}
3865 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3866
3867 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3868 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3869 GiNaC provides a couple of functions for this:
3870
3871 @example
3872 bool is_a<T>(const ex & e);
3873 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3874 bool ex::info(unsigned flag);
3875 unsigned ex::return_type() const;
3876 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3877 @end example
3878
3879 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3880 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3881 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3882 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3883
3884 @example
3885 @{
3886     @dots{}
3887     if (is_a<numeric>(e))
3888         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3889     @dots{}
3890 @}
3891 @end example
3892
3893 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3894 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3895 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3896 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3897
3898 @example
3899 @{
3900     symbol x("x");
3901     ex e1 = 42;
3902     ex e2 = 4*x - 3;
3903     is_a<numeric>(e1);  // true
3904     is_a<numeric>(e2);  // false
3905     is_a<add>(e1);      // false
3906     is_a<add>(e2);      // true
3907     is_a<mul>(e1);      // false
3908     is_a<mul>(e2);      // false
3909 @}
3910 @end example
3911
3912 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3913 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3914 class @samp{T}, not including parent classes.
3915
3916 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3917 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3918 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3919 table:
3920
3921 @cartouche
3922 @multitable @columnfractions .30 .70
3923 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3924 @item @code{numeric}
3925 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3926 @item @code{real}
3927 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3928 @item @code{rational}
3929 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3930 @item @code{integer}
3931 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3932 @item @code{crational}
3933 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3934 @item @code{cinteger}
3935 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3936 @item @code{positive}
3937 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3938 @item @code{negative}
3939 @tab @dots{}not complex and less than 0
3940 @item @code{nonnegative}
3941 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3942 @item @code{posint}
3943 @tab @dots{}an integer greater than 0
3944 @item @code{negint}
3945 @tab @dots{}an integer less than 0
3946 @item @code{nonnegint}
3947 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3948 @item @code{even}
3949 @tab @dots{}an even integer
3950 @item @code{odd}
3951 @tab @dots{}an odd integer
3952 @item @code{prime}
3953 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3954 @item @code{relation}
3955 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3956 @item @code{relation_equal}
3957 @tab @dots{}a @code{==} relation
3958 @item @code{relation_not_equal}
3959 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3960 @item @code{relation_less}
3961 @tab @dots{}a @code{<} relation
3962 @item @code{relation_less_or_equal}
3963 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3964 @item @code{relation_greater}
3965 @tab @dots{}a @code{>} relation
3966 @item @code{relation_greater_or_equal}
3967 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3968 @item @code{symbol}
3969 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3970 @item @code{list}
3971 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3972 @item @code{polynomial}
3973 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3974 @item @code{integer_polynomial}
3975 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3976 @item @code{cinteger_polynomial}
3977 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3978 @item @code{rational_polynomial}
3979 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3980 @item @code{crational_polynomial}
3981 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3982 @item @code{rational_function}
3983 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3984 @end multitable
3985 @end cartouche
3986
3987 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3988 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3989 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3990 for an explanation of these.
3991
3992
3993 @subsection Accessing subexpressions
3994 @cindex container
3995
3996 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3997 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3998 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3999 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4000
4001 @cindex @code{nops()}
4002 @cindex @code{op()}
4003 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4004 use the two methods
4005
4006 @example
4007 size_t ex::nops();
4008 ex ex::op(size_t i);
4009 @end example
4010
4011 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4012 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4013 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4014 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4015 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4016 @math{i>0} are the indices.
4017
4018 @cindex iterators
4019 @cindex @code{const_iterator}
4020 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4021 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4022
4023 @example
4024 const_iterator ex::begin();
4025 const_iterator ex::end();
4026 @end example
4027
4028 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4029 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4030 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4031 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4032
4033 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4034 given expression in three different ways:
4035
4036 @example
4037 @{
4038     ex e = ...
4039
4040     // with nops()/op()
4041     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4042         cout << e.op(i) << endl;
4043
4044     // with iterators
4045     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4046         cout << *i << endl;
4047
4048     // with iterators and STL copy()
4049     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4050 @}
4051 @end example
4052
4053 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4054 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4055 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4056 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4057 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4058 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4059 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4060 methods
4061
4062 @example
4063 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4064 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4065 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4066 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4067 @end example
4068
4069 The following example illustrates the differences between
4070 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4071 @code{const_postorder_iterator}:
4072
4073 @example
4074 @{
4075     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4076     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4077
4078     std::copy(e.begin(), e.end(),
4079               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4080     // @{A,B@}
4081     // C
4082
4083     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4084               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4085     // @{@{A,B@},C@}
4086     // @{A,B@}
4087     // A
4088     // B
4089     // C
4090
4091     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4092               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4093     // A
4094     // B
4095     // @{A,B@}
4096     // C
4097     // @{@{A,B@},C@}
4098 @}
4099 @end example
4100
4101 @cindex @code{relational} (class)
4102 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4103 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4104 methods
4105
4106 @example
4107 ex ex::lhs();
4108 ex ex::rhs();
4109 @end example
4110
4111
4112 @subsection Comparing expressions
4113 @cindex @code{is_equal()}
4114 @cindex @code{is_zero()}
4115
4116 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4117 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4118 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4119 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4120 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4121 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4122 @code{false}.
4123
4124 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4125 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4126 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4127
4128 There are also two methods
4129
4130 @example
4131 bool ex::is_equal(const ex & other);
4132 bool ex::is_zero();
4133 @end example
4134
4135 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4136 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4137 @pxref{Matrices}. 
4138
4139
4140 @subsection Ordering expressions
4141 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4142 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4143 @cindex @code{compare()}
4144
4145 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4146 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4147 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4148 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4149
4150 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4151 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4152 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4153 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4154 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4155 yield @code{true}.
4156
4157 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4158 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4159 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4160 predicates to the STL:
4161
4162 @example
4163 class ex_is_less @{
4164 public:
4165     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4166 @};
4167
4168 class ex_is_equal @{
4169 public:
4170     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4171 @};
4172 @end example
4173
4174 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4175 have to use
4176
4177 @example
4178 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4179 @end example
4180
4181 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4182 bugs because the map operates improperly.
4183
4184 Other examples for the use of the functors:
4185
4186 @example
4187 std::vector<ex> v;
4188 // fill vector
4189 ...
4190
4191 // sort vector
4192 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4193
4194 // count the number of expressions equal to '1'
4195 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4196                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4197 @end example
4198
4199 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4200
4201 @example
4202 int ex::compare(const ex & other) const;
4203 @end example
4204
4205 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4206 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4207 after @code{other}.
4208
4209
4210 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4211 @c    node-name, next, previous, up
4212 @section Numerical evaluation
4213 @cindex @code{evalf()}
4214
4215 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4216 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4217
4218 @example
4219 ex ex::evalf() const;
4220 @end example
4221
4222 @cindex @code{Digits}
4223 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4224 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4225 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4226
4227 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4228 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4229
4230 @example
4231 @{
4232     // Approximate sin(x/Pi)
4233     symbol x("x");
4234     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4235
4236     // Evaluate numerically at x=0.1
4237     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4238
4239     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4240     if (is_a<numeric>(f)) @{
4241         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4242         cout << d << endl;
4243          // -> 0.0318256
4244     @} else
4245         // error
4246 @}
4247 @end example
4248
4249
4250 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4251 @c    node-name, next, previous, up
4252 @section Substituting expressions
4253 @cindex @code{subs()}
4254
4255 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4256 expressions via the @code{.subs()} method:
4257
4258 @example
4259 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4260 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4261 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4262 @end example
4263
4264 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4265 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4266
4267 @example
4268 @{
4269     symbol x("x"), y("y");
4270
4271     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4272     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4273      // -> 73
4274
4275     ex e2 = x*y + x;
4276     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4277      // -> -10
4278 @}
4279 @end example
4280
4281 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4282 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4283
4284 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4285 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4286 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4287 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4288 be substituted is large or unknown.
4289
4290 Using this form, the second example from above would look like this:
4291
4292 @example
4293 @{
4294     symbol x("x"), y("y");
4295     ex e2 = x*y + x;
4296
4297     exmap m;
4298     m[x] = -2;
4299     m[y] = 4;
4300     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4301 @}
4302 @end example
4303
4304 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4305 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4306 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4307
4308 @example
4309 @{
4310     symbol x("x"), y("y");
4311     ex e2 = x*y + x;
4312
4313     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4314 @}
4315 @end example
4316
4317 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4318 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4319 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4320 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4321 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4322 algebraic substitutions in products and powers.
4323 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4324 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4325 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4326 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4327 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4328 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4329
4330 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4331 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4332 following example:
4333
4334 @example
4335 @{
4336     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4337
4338     ex e1 = pow(x+y, 2);
4339     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4340      // -> 16
4341
4342     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4343     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4344      // -> cos(x)^2*sin(y)
4345
4346     ex e3 = x+y+z;
4347     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4348      // -> x+y+z
4349      // (and not 4+z as one might expect)
4350 @}
4351 @end example
4352
4353 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4354 next section.
4355
4356
4357 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4358 @c    node-name, next, previous, up
4359 @section Pattern matching and advanced substitutions
4360 @cindex @code{wildcard} (class)
4361 @cindex Pattern matching
4362
4363 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4364 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4365 substituting expressions in a more general way.
4366
4367 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4368 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4369 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4370 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4371 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4372 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4373 with the call
4374
4375 @example
4376 ex wild(unsigned label = 0);
4377 @end example
4378
4379 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4380 name.
4381
4382 Some examples for patterns:
4383
4384 @multitable @columnfractions .5 .5
4385 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4386 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4387 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4388 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4389 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4390 @end multitable
4391
4392 Notes:
4393
4394 @itemize @bullet
4395 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4396   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4397 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4398   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4399   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4400 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4401   possible to use them as placeholders for other properties like index
4402   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4403   etc.
4404 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4405   as part of noncommutative products.
4406 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4407   are also valid patterns.
4408 @end itemize
4409
4410 @subsection Matching expressions
4411 @cindex @code{match()}
4412 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4413 matches a given pattern. This is done by the function
4414
4415 @example
4416 bool ex::match(const ex & pattern);
4417 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4418 @end example
4419
4420 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4421 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4422 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4423 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4424 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4425
4426 The matching algorithm works as follows:
4427
4428 @itemize
4429 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4430   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4431   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4432   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4433 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4434   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4435   etc.).
4436 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4437   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4438 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4439   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4440   of the pattern.
4441 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4442   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4443 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4444   match the corresponding subexpression of the pattern.
4445 @end itemize
4446
4447 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4448 account for their commutativity and associativity:
4449
4450 @itemize
4451 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4452   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4453   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4454   way.
4455 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4456   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4457   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4458   further matches.
4459 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4460   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4461   which case this wildcard matches the remaining terms.
4462 @end itemize
4463
4464 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4465 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4466 ambiguous results.
4467
4468 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4469 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4470 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4471
4472 @example
4473 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4474 @{@}
4475 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4476 FAIL
4477 > match((x+y)^a,$1^$2);
4478 @{$1==x+y,$2==a@}
4479 > match((x+y)^a,$1^$1);
4480 FAIL
4481 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4482 @{$1==x+y@}
4483 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4484 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4485 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4486 @{$1==a@}
4487 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4488 @{$1==b,$2==c@}
4489   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4490 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4491   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4492    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4493    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4494    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4495    fail.)
4496 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4497   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4498    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4499 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4500 FAIL
4501 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4502 @{$0==a+e+b+f+d@}
4503 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4504 @{$0==a+b+f+d@}
4505 > match(a+b,a+b+$0);
4506 @{$0==0@}
4507 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4508 FAIL
4509   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4510    even though a==a^1.)
4511 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4512 @{$0==x@}
4513 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4514 @{$0==x^2@}
4515 @end example
4516
4517 @subsection Matching parts of expressions
4518 @cindex @code{has()}
4519 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4520 member function
4521
4522 @example
4523 bool ex::has(const ex & pattern);
4524 @end example
4525
4526 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4527 by any of its subexpressions.
4528
4529 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4530 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4531
4532 @example
4533 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4534 1
4535 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4536 0
4537   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4538    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4539 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4540 1
4541   (But this is possible.)
4542 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4543 0
4544   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4545    which "x+y" is not a subexpression.)
4546 > has(x+1,x^$1);
4547 0
4548   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4549    "x^something".)
4550 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4551 1
4552 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4553 0
4554   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4555    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4556    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4557 @end example
4558
4559 @cindex @code{find()}
4560 The method
4561
4562 @example
4563 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4564 @end example
4565
4566 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4567 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4568 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4569 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4570 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4571
4572 @example
4573 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4574 @{x@}
4575 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4576 @{@}
4577 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4578 @{x^3,x^2@}
4579   (Note the absence of "x".)
4580 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4581 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4582 > find(%,sin($1));
4583 @{sin(y),sin(x)@}
4584 @end example
4585
4586 @subsection Substituting expressions
4587 @cindex @code{subs()}
4588 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4589 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4590 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4591 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4592 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4593
4594 Some examples:
4595
4596 @example
4597 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4598 b^3+a^3+(x+y)^3
4599 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4600 b^4+a^4+(x+y)^4
4601 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4602 (a+b+c)^2
4603 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4604 (x+c)^2
4605 > subs(a+2*b,a+b==x);
4606 a+2*b
4607 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4608 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4609 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4610 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4611 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4612 cos(1+cos(x))
4613 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4614 a+b
4615 @end example
4616
4617 The last example would be written in C++ in this way:
4618
4619 @example
4620 @{
4621     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4622     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4623     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4624     cout << e.expand() << endl;
4625      // -> a+b
4626 @}
4627 @end example
4628
4629 @subsection The option algebraic
4630 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4631 extra options. This section describes what happens if you give the former
4632 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4633 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4634 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4635 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4636 If you use these options you will find that
4637 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4638 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4639 often as is possible without getting negative exponents. For example
4640 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4641 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4642 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4643 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4644
4645 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4646 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4647
4648
4649 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4650 @c    node-name, next, previous, up
4651 @section Applying a function on subexpressions
4652 @cindex tree traversal
4653 @cindex @code{map()}
4654
4655 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4656 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4657 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4658 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4659 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4660 to do this manually which usually results in code like this:
4661
4662 @example
4663 ex calc_trace(ex e)
4664 @{
4665     if (is_a<matrix>(e))
4666         return ex_to<matrix>(e).trace();
4667     else if (is_a<add>(e)) @{
4668         ex sum = 0;
4669         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4670             sum += calc_trace(e.op(i));
4671         return sum;
4672     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4673         ...
4674     @} else @{
4675         ...
4676     @}
4677 @}
4678 @end example
4679
4680 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4681 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4682 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4683 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4684 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4685
4686 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4687 operations:
4688
4689 @example
4690 ex ex::map(map_function & f) const;
4691 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4692 @end example
4693
4694 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4695 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4696 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4697 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4698 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4699 non-recursively.
4700
4701 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4702 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4703 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4704 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4705 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4706
4707 @example
4708 struct calc_trace : public map_function @{
4709     ex operator()(const ex &e)
4710     @{
4711         if (is_a<matrix>(e))
4712             return ex_to<matrix>(e).trace();
4713         else if (is_a<mul>(e)) @{
4714             ...
4715         @} else
4716             return e.map(*this);
4717     @}
4718 @};
4719 @end example
4720
4721 This function object could then be used like this:
4722
4723 @example
4724 @{
4725     ex M = ... // expression with matrices
4726     calc_trace do_trace;
4727     ex tr = do_trace(M);
4728 @}
4729 @end example
4730
4731 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4732 terms in a variable from an expanded polynomial:
4733
4734 @example
4735 struct map_rem_quad : public map_function @{
4736     ex var;
4737     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4738
4739     ex operator()(const ex & e)
4740     @{
4741         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4742             return e.map(*this);
4743         else if (is_a<power>(e) && 
4744                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4745             return 0;
4746         else
4747             return e;
4748     @}
4749 @};
4750
4751 ...
4752
4753 @{
4754     symbol x("x"), y("y");
4755
4756     ex e;
4757     for (int i=0; i<8; i++)
4758         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4759     cout << e << endl;
4760      // -> 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
4761
4762     map_rem_quad rem_quad(x);
4763     cout << rem_quad(e) << endl;
4764      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4765 @}
4766 @end example
4767
4768 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4769 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4770 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4771 acts as the placeholder for the operands:
4772
4773 @example
4774 > map(a*b,sin($0));
4775 sin(a)*sin(b)
4776 > map(a+2*b,sin($0));
4777 sin(a)+sin(2*b)
4778 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4779 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4780 @end example
4781
4782 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4783 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4784 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4785
4786 @example
4787 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4788 @{0,0,0@}
4789   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4790   to "map(@{a,b,c@},0)".
4791 @end example
4792
4793
4794 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4795 @c    node-name, next, previous, up
4796 @section Visitors and tree traversal
4797 @cindex tree traversal
4798 @cindex @code{visitor} (class)
4799 @cindex @code{accept()}
4800 @cindex @code{visit()}
4801 @cindex @code{traverse()}
4802 @cindex @code{traverse_preorder()}
4803 @cindex @code{traverse_postorder()}
4804
4805 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4806 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4807 indices with variance you always want the covariant version returned.
4808
4809 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4810 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4811 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4812 with variance, one for plain ones).
4813
4814 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4815 such as the following:
4816
4817 @example
4818 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4819 @{
4820     if (is_a<varidx>(e)) @{
4821         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4822         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4823     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4824         l.append(e);
4825     @} else @{
4826         size_t n = e.nops();
4827         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4828             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4829     @}
4830 @}
4831
4832 lst gather_indices(const ex & e)
4833 @{
4834     lst l;
4835     gather_indices_helper(e, l);
4836     l.sort();
4837     l.unique();
4838     return l;
4839 @}
4840 @end example
4841
4842 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4843 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4844 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4845
4846 @example
4847     if (is_a<idx>(e)) @{
4848       ...
4849     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4850       ...
4851 @end example
4852
4853 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4854 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4855 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4856 executed.
4857
4858 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4859 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4860 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4861 write a function that required a different implementation for nearly
4862 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4863
4864 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4865 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4866 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4867 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4868 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4869 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4870 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4871 presented this would be impractical.
4872
4873 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4874 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4875 variation, described in detail in
4876 @uref{https://condor.depaul.edu/dmumaugh/OOT/Design-Principles/acv.pdf}). Instead of adding
4877 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4878 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4879 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4880 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4881 object that @code{accept()} was being invoked on.
4882
4883 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4884 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4885 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4886 each class.
4887
4888 A call of
4889
4890 @example
4891 void ex::accept(visitor & v) const;
4892 @end example
4893
4894 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4895 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4896 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4897
4898 Here is an example of a visitor:
4899
4900 @example
4901 class my_visitor
4902  : public visitor,          // this is required
4903    public add::visitor,     // visit add objects
4904    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4905    public basic::visitor    // visit basic objects
4906 @{
4907     void visit(const add & x)
4908     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4909
4910     void visit(const numeric & x)
4911     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4912
4913     void visit(const basic & x)
4914     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4915 @};
4916 @end example
4917
4918 which can be used as follows:
4919
4920 @example
4921 ...
4922     symbol x("x");
4923     ex e1 = 42;
4924     ex e2 = 4*x-3;
4925     ex e3 = 8*x;
4926
4927     my_visitor v;
4928     e1.accept(v);
4929      // prints "called with a numeric object"
4930     e2.accept(v);
4931      // prints "called with an add object"
4932     e3.accept(v);
4933      // prints "called with a basic object"
4934 ...
4935 @end example
4936
4937 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4938 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4939
4940 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4941 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4942 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4943 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4944 hierarchies of visitors.
4945
4946 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4947
4948 @example
4949 class gather_indices_visitor
4950  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4951 @{
4952     lst l;
4953
4954     void visit(const idx & i)
4955     @{
4956         l.append(i);
4957     @}
4958
4959     void visit(const varidx & vi)
4960     @{
4961         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4962     @}
4963
4964 public:
4965     const lst & get_result() // utility function
4966     @{
4967         l.sort();
4968         l.unique();
4969         return l;
4970     @}
4971 @};
4972 @end example
4973
4974 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4975 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4976
4977 @example
4978 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4979 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4980 void ex::traverse(visitor & v) const;
4981 @end example
4982
4983 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4984 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4985 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4986 @code{traverse_preorder()}.
4987
4988 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4989 and @code{traverse()}:
4990
4991 @example
4992 lst gather_indices(const ex & e)
4993 @{
4994     gather_indices_visitor v;
4995     e.traverse(v);
4996     return v.get_result();
4997 @}
4998 @end example
4999
5000 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5001 traversal:
5002
5003 @example
5004 lst gather_indices(const ex & e)
5005 @{
5006     gather_indices_visitor v;
5007     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5008          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5009         i->accept(v);
5010     @}
5011     return v.get_result();
5012 @}
5013 @end example
5014
5015
5016 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5017 @c    node-name, next, previous, up
5018 @section Polynomial arithmetic
5019
5020 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5021 @cindex @code{is_polynomial()}
5022
5023 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5024 can be done with the method
5025 @example
5026 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5027 @end example
5028 In the case of more than
5029 one variable, the variables are given as a list.
5030
5031 @example
5032 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5033 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5034 @end example
5035
5036 @subsection Expanding and collecting
5037 @cindex @code{expand()}
5038 @cindex @code{collect()}
5039 @cindex @code{collect_common_factors()}
5040
5041 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5042 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5043 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5044 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5045 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5046 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5047 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5048 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5049 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5050 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5051 x*z}.
5052
5053 To bring an expression into expanded form, its method
5054
5055 @example
5056 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5057 @end example
5058
5059 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5060 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5061 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5062 orderings of terms in such sums!
5063
5064 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5065 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5066 being polynomials in the remaining variables.  The method
5067 @code{collect()} accomplishes this task:
5068
5069 @example
5070 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5071 @end example
5072
5073 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5074 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5075 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5076 by the @code{distributed} flag.
5077
5078 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5079 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5080 coefficients properly.
5081
5082 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5083 together with @code{find()}:
5084
5085 @example
5086 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5087 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)
5088 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5089 > collect(a,@{p,q@});
5090 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5091 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5092 > collect(a,find(a,sin($1)));
5093 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5094 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5095 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5096 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5097 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5098 @end example
5099
5100 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5101 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5102
5103 @example
5104 ex collect_common_factors(const ex & e);
5105 @end example
5106
5107 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5108 factors which are already explicitly present:
5109
5110 @example
5111 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5112 (x+y)*a
5113 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5114 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5115 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5116 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5117 @end example
5118
5119 @subsection Degree and coefficients
5120 @cindex @code{degree()}
5121 @cindex @code{ldegree()}
5122 @cindex @code{coeff()}
5123
5124 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5125 using the two methods
5126
5127 @example
5128 int ex::degree(const ex & s);
5129 int ex::ldegree(const ex & s);
5130 @end example
5131
5132 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5133 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5134 with a certain power from an expanded polynomial you use
5135
5136 @example
5137 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5138 @end example
5139
5140 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5141
5142 @example
5143 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5144 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5145 @end example
5146
5147 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5148 respectively.
5149
5150 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5151 polynomial is analyzed:
5152
5153 @example
5154 @{
5155     symbol x("x"), y("y");
5156     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5157                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5158     ex Poly = PolyInp.expand();
5159     
5160     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5161         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5162              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5163     @}
5164     cout << "As polynomial in y: " 
5165          << Poly.collect(y) << endl;
5166 @}
5167 @end example
5168
5169 When run, it returns an output in the following fashion:
5170
5171 @example
5172 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5173 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5174 The x^2-coefficient is -1
5175 The x^3-coefficient is 4*y
5176 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5177 @end example
5178
5179 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5180 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5181 within the user's sphere of influence.
5182
5183 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5184 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5185 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5186 constants, functions and indexed objects as well:
5187
5188 @example
5189 @{
5190     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5191     idx i(symbol("i"), 3);
5192
5193     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5194     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5195      // -> 4
5196     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5197      // -> -4*cos(x)
5198
5199     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5200     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5201     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5202      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5203 @}
5204 @end example
5205
5206
5207 @subsection Polynomial division
5208 @cindex polynomial division
5209 @cindex quotient
5210 @cindex remainder
5211 @cindex pseudo-remainder
5212 @cindex @code{quo()}
5213 @cindex @code{rem()}
5214 @cindex @code{prem()}
5215 @cindex @code{divide()}
5216
5217 The two functions
5218
5219 @example
5220 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5221 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5222 @end example
5223
5224 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5225 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5226
5227 The additional function
5228
5229 @example
5230 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5231 @end example
5232
5233 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5234 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5235
5236 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5237
5238 @example
5239 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5240 @end example
5241
5242 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5243 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5244 in which case the value of @code{q} is undefined.
5245
5246
5247 @subsection Unit, content and primitive part
5248 @cindex @code{unit()}
5249 @cindex @code{content()}
5250 @cindex @code{primpart()}
5251 @cindex @code{unitcontprim()}
5252
5253 The methods
5254
5255 @example
5256 ex ex::unit(const ex & x);
5257 ex ex::content(const ex & x);
5258 ex ex::primpart(const ex & x);
5259 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5260 @end example
5261
5262 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5263 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5264 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5265 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5266 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5267 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5268 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5269 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5270
5271 Additionally, the method
5272
5273 @example
5274 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5275 @end example
5276
5277 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5278 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5279
5280
5281 @subsection GCD, LCM and resultant
5282 @cindex GCD
5283 @cindex LCM
5284 @cindex @code{gcd()}
5285 @cindex @code{lcm()}
5286
5287 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5288 multiple have the synopsis
5289
5290 @example
5291 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5292 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5293 @end example
5294
5295 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5296 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5297 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5298 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5299 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5300 the coefficients must be rationals.
5301
5302 @example
5303 #include <ginac/ginac.h>
5304 using namespace GiNaC;
5305
5306 int main()
5307 @{
5308     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5309     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5310     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5311
5312     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5313     // x + 5*y + 4*z
5314     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5315     // 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
5316 @}
5317 @end example
5318
5319 @cindex resultant
5320 @cindex @code{resultant()}
5321
5322 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5323 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5324 expressions. The function has the interface
5325
5326 @example
5327 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5328 @end example
5329
5330 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5331 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5332 @code{y}, respectively:
5333
5334 @example
5335 #include <ginac/ginac.h>
5336 using namespace GiNaC;
5337
5338 int main()
5339 @{
5340     symbol x("x"), y("y");
5341
5342     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5343     ex r;
5344     
5345     r = resultant(e1, e2, x); 
5346     // -> 1+2*y^6
5347     r = resultant(e1, e2, y); 
5348     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5349 @}
5350 @end example
5351
5352 @subsection Square-free decomposition
5353 @cindex square-free decomposition
5354 @cindex factorization
5355 @cindex @code{sqrfree()}
5356
5357 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5358 @example
5359 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5360 @end example
5361 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5362 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5363 some care with subsequent processing of the result:
5364 @example
5365     ...
5366     symbol x("x"), y("y");
5367     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5368
5369     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5370      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5371
5372     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5373      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5374
5375     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5376      // -> depending on luck, any of the above
5377     ...
5378 @end example
5379 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5380 with this method.
5381
5382 @subsection Square-free partial fraction decomposition
5383 @cindex square-free partial fraction decomposition
5384 @cindex partial fraction decomposition
5385 @cindex @code{sqrfree_parfrac()}
5386
5387 GiNaC also supports square-free partial fraction decomposition of
5388 rational functions:
5389 @example
5390 ex sqrfree_parfrac(const ex & a, const symbol & x);
5391 @end example
5392 It is called square-free because it assumes a square-free
5393 factorization of the input's denominator:
5394 @example
5395     ...
5396     symbol x("x");
5397
5398     ex rat = (x-4)/(pow(x,2)*(x+2));
5399     cout << sqrfree_parfrac(rat, x) << endl;
5400      // -> -2*x^(-2)+3/2*x^(-1)-3/2*(2+x)^(-1)
5401 @end example
5402
5403 @subsection Polynomial factorization
5404 @cindex factorization
5405 @cindex polynomial factorization
5406 @cindex @code{factor()}
5407
5408 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5409 @example
5410 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5411 @end example
5412 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5413 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5414 @example
5415     ...
5416     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5417      // -> (1+x)*(-1+x)
5418     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5419      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5420     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5421      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5422     ...
5423 @end example
5424 The results are as expected except for the last one where no factorization
5425 seems to have been done. This is due to the default option
5426 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5427 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5428 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5429
5430 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5431 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5432 arguments. With this option the example gives:
5433 @example
5434     ...
5435     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5436          << endl;
5437      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5438     ...
5439 @end example
5440 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5441 the following example does not factor:
5442 @example
5443     ...
5444     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5445      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5446     ...
5447 @end example
5448 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5449 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5450 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5451 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5452 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5453 cheaper and more appropriate alternative.
5454
5455 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5456 @c    node-name, next, previous, up
5457 @section Rational expressions
5458
5459 @subsection The @code{normal} method
5460 @cindex @code{normal()}
5461 @cindex simplification
5462 @cindex temporary replacement
5463
5464 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5465 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5466 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5467 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5468 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5469 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5470
5471 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5472 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5473 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5474 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5475 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5476 @code{.to_rational()}, described below.
5477
5478 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5479 simplified in this little code snippet:
5480
5481 @example
5482 @{
5483     symbol x("x");
5484     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5485     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5486     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5487     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5488 @}
5489 @end example
5490
5491 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5492 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5493 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5494
5495
5496 @subsection Numerator and denominator
5497 @cindex numerator
5498 @cindex denominator
5499 @cindex @code{numer()}
5500 @cindex @code{denom()}
5501 @cindex @code{numer_denom()}
5502
5503 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5504
5505 @example
5506 ex ex::numer();
5507 ex ex::denom();
5508 ex ex::numer_denom();
5509 @end example
5510
5511 These functions will first normalize the expression as described above and
5512 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5513 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5514 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5515 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5516 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5517 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5518
5519
5520 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5521 @cindex @code{to_polynomial()}
5522 @cindex @code{to_rational()}
5523
5524 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5525 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5526 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5527 above. You do this by calling
5528
5529 @example
5530 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5531 @end example
5532 or
5533 @example
5534 ex ex::to_rational(exmap & m);
5535 @end example
5536
5537 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5538 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5539 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5540 already contain a list of replacements from an earlier application of
5541 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5542 it on multiple expressions and get consistent results.
5543
5544 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5545 is probably best illustrated with an example:
5546
5547 @example
5548 @{
5549     symbol x("x"), y("y");
5550     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5551     cout << a << endl;
5552
5553     exmap mp;
5554     ex p = a.to_polynomial(mp);
5555     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5556      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5557      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5558
5559     exmap mr;
5560     ex r = a.to_rational(mr);
5561     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5562      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5563      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5564 @}
5565 @end example
5566
5567 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5568
5569 @example
5570 @{
5571     symbol x("x");
5572     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5573     ex b = sin(x) + cos(x);
5574     ex q;
5575     exmap m;
5576     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5577     cout << q.subs(m) << endl;
5578 @}
5579 @end example
5580
5581
5582 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5583 @c    node-name, next, previous, up
5584 @section Symbolic differentiation
5585 @cindex differentiation
5586 @cindex @code{diff()}
5587 @cindex chain rule
5588 @cindex product rule
5589
5590 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5591 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5592 the derivatives of all the monomials:
5593
5594 @example
5595 @{
5596     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5597     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5598
5599     cout << P.diff(x,2) << endl;
5600      // -> 20*x^3 + 2
5601     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5602      // -> 1
5603     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5604      // -> 0
5605 @}
5606 @end example
5607
5608 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5609 returns the @var{n}th derivative.
5610
5611 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5612 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5613 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5614 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5615 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5616 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5617 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5618 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5619 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5620 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5621 lines:
5622
5623 @cindex Euler numbers
5624 @example
5625 #include <ginac/ginac.h>
5626 using namespace GiNaC;
5627
5628 ex EulerNumber(unsigned n)
5629 @{
5630     symbol x;
5631     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5632     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5633 @}
5634
5635 int main()
5636 @{
5637     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5638         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5639     return 0;
5640 @}
5641 @end example
5642
5643 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5644 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5645 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5646
5647
5648 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5649 @c    node-name, next, previous, up
5650 @section Series expansion
5651 @cindex @code{series()}
5652 @cindex Taylor expansion
5653 @cindex Laurent expansion
5654 @cindex @code{pseries} (class)
5655 @cindex @code{Order()}
5656
5657 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5658 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5659 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5660 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5661 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5662 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5663 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5664 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5665 term).  A sample application from special relativity could read:
5666
5667 @example
5668 #include <ginac/ginac.h>
5669 using namespace std;
5670 using namespace GiNaC;
5671
5672 int main()
5673 @{
5674     symbol v("v"), c("c");
5675     
5676     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5677     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5678     
5679     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5680          << mass_nonrel << endl;
5681     
5682     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5683          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5684 @}
5685 @end example
5686
5687 Only calling the series method makes the last output simplify to
5688 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5689 series raised to the power @math{-2}.
5690
5691 @cindex Machin's formula
5692 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5693 value of Archimedes' constant
5694 @tex
5695 $\pi$
5696 @end tex
5697 @ifnottex
5698 @math{Pi}
5699 @end ifnottex
5700 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5701 using John Machin's amazing formula
5702 @tex
5703 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5704 @end tex
5705 @ifnottex
5706 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5707 @end ifnottex
5708 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5709 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5710 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5711 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5712 order term with it and the question arises what the system is supposed
5713 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5714 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5715 term off:
5716
5717 @example
5718 #include <ginac/ginac.h>
5719 using namespace GiNaC;
5720
5721 ex machin_pi(int degr)
5722 @{
5723     symbol x;
5724     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x==0,degr));
5725     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5726                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5727     return pi_approx;
5728 @}
5729
5730 int main()
5731 @{
5732     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5733     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5734     ex pi_frac;
5735     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5736         pi_frac = machin_pi(i);
5737         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5738              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5739     @}
5740     return 0;
5741 @}
5742 @end example
5743
5744 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5745 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5746 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5747 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5748 program, it will type out:
5749
5750 @example
5751 2:      3804/1195
5752         3.1832635983263598326
5753 4:      5359397032/1706489875
5754         3.1405970293260603143
5755 6:      38279241713339684/12184551018734375
5756         3.141621029325034425
5757 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5758         3.141591772182177295
5759 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5760         3.1415926824043995174
5761 @end example
5762
5763
5764 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5765 @c    node-name, next, previous, up
5766 @section Symmetrization
5767 @cindex @code{symmetrize()}
5768 @cindex @code{antisymmetrize()}
5769 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5770
5771 The three methods
5772
5773 @example
5774 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5775 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5776 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5777 @end example
5778
5779 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5780 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5781 weighted by the number of permutations.
5782
5783 The three additional methods
5784
5785 @example
5786 ex ex::symmetrize();
5787 ex ex::antisymmetrize();
5788 ex ex::symmetrize_cyclic();
5789 @end example
5790
5791 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5792
5793 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5794 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5795
5796 @example
5797 @{
5798     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5799     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5800                                            
5801     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5802      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5803     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5804      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5805     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5806      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5807 @}
5808 @end example
5809
5810 @page
5811
5812 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5813 @c    node-name, next, previous, up
5814 @section Predefined mathematical functions
5815 @c
5816 @subsection Overview
5817
5818 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5819
5820 @cartouche
5821 @multitable @columnfractions .30 .70
5822 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5823 @item @code{abs(x)}
5824 @tab absolute value
5825 @cindex @code{abs()}
5826 @item @code{step(x)}
5827 @tab step function
5828 @cindex @code{step()}
5829 @item @code{csgn(x)}
5830 @tab complex sign
5831 @cindex @code{conjugate()}
5832 @item @code{conjugate(x)}
5833 @tab complex conjugation
5834 @cindex @code{real_part()}
5835 @item @code{real_part(x)}
5836 @tab real part
5837 @cindex @code{imag_part()}
5838 @item @code{imag_part(x)}
5839 @tab imaginary part
5840 @item @code{sqrt(x)}
5841 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5842 @cindex @code{sqrt()}
5843 @item @code{sin(x)}
5844 @tab sine
5845 @cindex @code{sin()}
5846 @item @code{cos(x)}
5847 @tab cosine
5848 @cindex @code{cos()}
5849 @item @code{tan(x)}
5850 @tab tangent
5851 @cindex @code{tan()}
5852 @item @code{asin(x)}
5853 @tab inverse sine
5854 @cindex @code{asin()}
5855 @item @code{acos(x)}
5856 @tab inverse cosine
5857 @cindex @code{acos()}
5858 @item @code{atan(x)}
5859 @tab inverse tangent
5860 @cindex @code{atan()}
5861 @item @code{atan2(y, x)}
5862 @tab inverse tangent with two arguments
5863 @item @code{sinh(x)}
5864 @tab hyperbolic sine
5865 @cindex @code{sinh()}
5866 @item @code{cosh(x)}
5867 @tab hyperbolic cosine
5868 @cindex @code{cosh()}
5869 @item @code{tanh(x)}
5870 @tab hyperbolic tangent
5871 @cindex @code{tanh()}
5872 @item @code{asinh(x)}
5873 @tab inverse hyperbolic sine
5874 @cindex @code{asinh()}
5875 @item @code{acosh(x)}
5876 @tab inverse hyperbolic cosine
5877 @cindex @code{acosh()}
5878 @item @code{atanh(x)}
5879 @tab inverse hyperbolic tangent
5880 @cindex @code{atanh()}
5881 @item @code{exp(x)}
5882 @tab exponential function
5883 @cindex @code{exp()}
5884 @item @code{log(x)}
5885 @tab natural logarithm
5886 @cindex @code{log()}
5887 @item @code{eta(x,y)}
5888 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5889 @cindex @code{eta()}
5890 @item @code{Li2(x)}
5891 @tab dilogarithm
5892 @cindex @code{Li2()}
5893 @item @code{Li(m, x)}
5894 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5895 @cindex @code{Li()}
5896 @item @code{G(a, y)}
5897 @tab multiple polylogarithm
5898 @cindex @code{G()}
5899 @item @code{G(a, s, y)}
5900 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5901 @cindex @code{G()}
5902 @item @code{S(n, p, x)}
5903 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5904 @cindex @code{S()}
5905 @item @code{H(m, x)}
5906 @tab harmonic polylogarithm
5907 @cindex @code{H()}
5908 @item @code{zeta(m)}
5909 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5910 @cindex @code{zeta()}
5911 @item @code{zeta(m, s)}
5912 @tab alternating Euler sum
5913 @cindex @code{zeta()}
5914 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5915 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5916 @item @code{iterated_integral(a, y)}
5917 @tab iterated integral
5918 @cindex @code{iterated_integral()}
5919 @item @code{iterated_integral(a, y, N)}
5920 @tab iterated integral with explicit truncation parameter
5921 @cindex @code{iterated_integral()}
5922 @item @code{tgamma(x)}
5923 @tab gamma function
5924 @cindex @code{tgamma()}
5925 @cindex gamma function
5926 @item @code{lgamma(x)}
5927 @tab logarithm of gamma function
5928 @cindex @code{lgamma()}
5929 @item @code{beta(x, y)}
5930 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5931 @cindex @code{beta()}
5932 @item @code{psi(x)}
5933 @tab psi (digamma) function
5934 @cindex @code{psi()}
5935 @item @code{psi(n, x)}
5936 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5937 @item @code{EllipticK(x)}
5938 @tab complete elliptic integral of the first kind
5939 @cindex @code{EllipticK()}
5940 @item @code{EllipticE(x)}
5941 @tab complete elliptic integral of the second kind
5942 @cindex @code{EllipticE()}
5943 @item @code{factorial(n)}
5944 @tab factorial function @math{n!}
5945 @cindex @code{factorial()}
5946 @item @code{binomial(n, k)}
5947 @tab binomial coefficients
5948 @cindex @code{binomial()}
5949 @item @code{Order(x)}
5950 @tab order term function in truncated power series
5951 @cindex @code{Order()}
5952 @end multitable
5953 @end cartouche
5954
5955 @cindex branch cut
5956 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5957 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5958 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5959 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5960 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5961 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5962 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5963 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5964 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5965 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5966 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5967 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5968 counter clockwise direction.
5969
5970 @c
5971 @subsection Expanding functions
5972 @cindex expand trancedent functions
5973 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5974 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5975 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5976 @tex
5977 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5978 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5979 @end tex
5980 @ifnottex
5981 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5982 @end ifnottex
5983 or
5984 @tex
5985 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5986 @end tex
5987 @ifnottex
5988 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5989 @end ifnottex
5990 (for positive
5991 @tex
5992 $c,\ d$
5993 @end tex
5994 @ifnottex
5995 @command{c, d}
5996 @end ifnottex
5997 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5998 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5999 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
6000 usage and interaction can be seen from the following example:
6001 @example
6002 @{
6003         symbol x("x"),  y("y");
6004         ex e=exp(pow(x+y,2));
6005         cout << e.expand() << endl;
6006         // -> exp((x+y)^2)
6007         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
6008         // -> exp((x+y)^2)
6009         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
6010         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
6011         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
6012                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
6013         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
6014 @}
6015 @end example
6016 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
6017 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
6018 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
6019 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
6020 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
6021 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
6022
6023 @node Multiple polylogarithms, Iterated integrals, Built-in functions, Methods and functions
6024 @c    node-name, next, previous, up
6025 @subsection Multiple polylogarithms
6026
6027 @cindex polylogarithm
6028 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6029 @cindex harmonic polylogarithm
6030 @cindex multiple zeta value
6031 @cindex alternating Euler sum
6032 @cindex multiple polylogarithm
6033
6034 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6035 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6036 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6037 Each of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6038 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6039 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6040 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6041 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6042 notations are more natural to the series representation or the integral
6043 representation, respectively.
6044
6045 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6046 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6047 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6048
6049 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6050 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6051 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6052 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6053 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6054 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6055 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6056 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6057 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6058 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6059 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6060
6061 The functions print in LaTeX format as
6062 @tex
6063 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6064 @end tex
6065 @tex
6066 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6067 @end tex
6068 @tex
6069 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6070 @end tex
6071 @tex
6072 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6073 @end tex
6074 @ifnottex
6075 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6076 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6077 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6078 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6079 @end ifnottex
6080 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6081 are printed with a line above, e.g.
6082 @tex
6083 $\zeta(5,\overline{2})$.
6084 @end tex
6085 @ifnottex
6086 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6087 @end ifnottex
6088 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6089
6090 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6091 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6092 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6093 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6094
6095 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6096 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6097 the series representation. This means
6098 @tex
6099 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6100 @end tex
6101 @tex
6102 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6103 @end tex
6104 @tex
6105 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6106 @end tex
6107 @ifnottex
6108 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6109 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6110 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6111 @end ifnottex
6112 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6113 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6114
6115 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6116 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6117 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6118 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6119 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6120 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6121 @tex
6122 $\zeta(\overline{3},4)$
6123 @end tex
6124 @ifnottex
6125 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6126 @end ifnottex
6127 and
6128 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6129 @tex
6130 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6131 @end tex
6132 @ifnottex
6133 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6134 @end ifnottex
6135 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6136 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6137 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
6138 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6139 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6140 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6141 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6142
6143 @example
6144 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6145 S(2,2,x)
6146 > H(@{-3,2@},1);
6147 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6148 > S(3,1,1);
6149 1/90*Pi^4
6150 @end example
6151
6152 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6153 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6154 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6155 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6156 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6157 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6158
6159 @example
6160 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6161 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6162 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6163 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6164 @end example
6165
6166 Every function can be numerically evaluated for
6167 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6168 global variable @code{Digits}:
6169
6170 @example
6171 > Digits=100;
6172 100
6173 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6174 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6175 @end example
6176
6177 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6178 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6179
6180 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6181 unevaluated, e.g.
6182 @tex
6183 $\zeta(1)$.
6184 @end tex
6185 @ifnottex
6186 @command{zeta(1)}.
6187 @end ifnottex
6188 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6189 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6190 cancellations of divergencies happen.
6191
6192 Useful publications:
6193
6194 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6195 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6196
6197 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6198 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6199
6200 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6201 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6202
6203 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6204 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6205
6206 @node Iterated integrals, Complex expressions, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6207 @c    node-name, next, previous, up
6208 @subsection Iterated integrals
6209
6210 Multiple polylogarithms are a particular example of iterated integrals.
6211 An iterated integral is defined by the function @code{iterated_integral(a,y)}.
6212 The variable @code{y} gives the upper integration limit for the outermost integration, by convention the lower integration limit is always set to zero.
6213 The variable @code{a} must be a GiNaC @code{lst} containing sub-classes of @code{integration_kernel} as elements.
6214 The depth of the iterated integral corresponds to the number of elements of @code{a}.
6215 The available integrands for iterated integrals are
6216 (for a more detailed description the user is referred to the publications listed at the end of this section)
6217 @cartouche
6218 @multitable @columnfractions .40 .60
6219 @item @strong{Class} @tab @strong{Description}
6220 @item @code{integration_kernel()}
6221 @tab Base class, represents the one-form @math{dy}
6222 @cindex @code{integration_kernel()}
6223 @item @code{basic_log_kernel()}
6224 @tab Logarithmic one-form @math{dy/y}
6225 @cindex @code{basic_log_kernel()}
6226 @item @code{multiple_polylog_kernel(z_j)}
6227 @tab The one-form @math{dy/(y-z_j)}
6228 @cindex @code{multiple_polylog_kernel()}
6229 @item @code{ELi_kernel(n, m, x, y)}
6230 @tab The one form @math{ELi_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6231 @cindex @code{ELi_kernel()}
6232 @item @code{Ebar_kernel(n, m, x, y)}
6233 @tab The one form @math{\overline{E}_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6234 @cindex @code{Ebar_kernel()}
6235 @item @code{Kronecker_dtau_kernel(k, z_j, K, C_k)}
6236 @tab The one form @math{C_k K (k-1)/(2 \pi i)^k g^{(k)}(z_j,K \tau) dq/q}
6237 @cindex @code{Kronecker_dtau_kernel()}
6238 @item @code{Kronecker_dz_kernel(k, z_j, tau, K, C_k)}
6239 @tab The one form @math{C_k (2 \pi i)^{2-k} g^{(k-1)}(z-z_j,K \tau) dz}
6240 @cindex @code{Kronecker_dz_kernel()}
6241 @item @code{Eisenstein_kernel(k, N, a, b, K, C_k)}
6242 @tab The one form @math{C_k E_{k,N,a,b,K}(\tau) dq/q}
6243 @cindex @code{Eisenstein_kernel()}
6244 @item @code{Eisenstein_h_kernel(k, N, r, s, C_k)}
6245 @tab The one form @math{C_k h_{k,N,r,s}(\tau) dq/q}
6246 @cindex @code{Eisenstein_h_kernel()}
6247 @item @code{modular_form_kernel(k, P, C_k)}
6248 @tab The one form @math{C_k P dq/q}
6249 @cindex @code{modular_form_kernel()}
6250 @item @code{user_defined_kernel(f, y)}
6251 @tab The one form @math{f(y) dy}
6252 @cindex @code{user_defined_kernel()}
6253 @end multitable
6254 @end cartouche
6255 All parameters are assumed to be such that all integration kernels have a convergent Laurent expansion
6256 around zero with at most a simple pole at zero.
6257 The iterated integral may also be called with an optional third parameter
6258 @code{iterated_integral(a,y,N_trunc)}, in which case the numerical evaluation will truncate the series
6259 expansion at order @code{N_trunc}.
6260
6261 The classes @code{Eisenstein_kernel()}, @code{Eisenstein_h_kernel()} and @code{modular_form_kernel()}
6262 provide a method @code{q_expansion_modular_form(q, order)}, which can used to obtain the q-expansion
6263 of @math{E_{k,N,a,b,K}(\tau)}, @math{h_{k,N,r,s}(\tau)} or @math{P} to the specified order.
6264
6265 Useful publications:
6266
6267 @cite{Numerical evaluation of iterated integrals related to elliptic Feynman integrals}, 
6268 M.Walden, S.Weinzierl, arXiv:2010.05271
6269
6270 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Iterated integrals, Methods and functions
6271 @c    node-name, next, previous, up
6272 @section Complex expressions
6273 @c
6274 @cindex @code{conjugate()}
6275
6276 For dealing with complex expressions there are the methods
6277
6278 @example
6279 ex ex::conjugate();
6280 ex ex::real_part();
6281 ex ex::imag_part();
6282 @end example
6283
6284 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6285 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6286 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6287 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6288 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6289 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6290 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6291 (symbols are complex by default), one could not simplify
6292 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6293 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6294
6295 For example,
6296 @example
6297 @{
6298     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6299     symbol x("x");
6300     realsymbol y("y");
6301                                            
6302     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6303      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6304     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6305      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6306 @}
6307 @end example
6308
6309 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6310 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6311 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6312 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6313 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6314 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6315 parts of user-defined functions.
6316
6317 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6318 @c    node-name, next, previous, up
6319 @section Solving linear systems of equations
6320 @cindex @code{lsolve()}
6321
6322 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6323 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6324 needs to be solved:
6325
6326 @example
6327 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6328           unsigned options = solve_algo::automatic);
6329 @end example
6330
6331 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6332 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6333 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6334 @code{lst}).
6335
6336 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6337 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6338
6339 @example
6340 @{
6341     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6342     lst eqns = @{a*x+b*y==3, x-y==b@};
6343     lst vars = @{x, y@};
6344     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6345      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6346 @end example
6347
6348 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6349 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6350 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6351 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6352 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6353 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6354 around that method.
6355
6356
6357 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6358 @c    node-name, next, previous, up
6359 @section Input and output of expressions
6360 @cindex I/O
6361
6362 @subsection Expression output
6363 @cindex printing
6364 @cindex output of expressions
6365
6366 Expressions can simply be written to any stream:
6367
6368 @example
6369 @{
6370     symbol x("x");
6371     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6372     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6373     // ...
6374 @end example
6375
6376 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6377 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6378 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6379 is printed as @samp{x^2}).
6380
6381 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6382 a set of stream manipulators;
6383
6384 @example
6385 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6386 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6387 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6388 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6389 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6390 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6391 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6392 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6393 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6394 @end example
6395
6396 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6397 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6398 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6399
6400 @cindex @code{dflt}
6401 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6402 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6403
6404 @example
6405     // ...
6406     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6407                               // now on
6408     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6409     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6410     cout << dflt;             // revert to default output format
6411     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6412     // ...
6413 @end example
6414
6415 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6416 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6417
6418 @example
6419     // ...
6420     ostringstream s;
6421     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6422     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6423     // ...
6424 @end example
6425
6426 @anchor{csrc printing}
6427 @cindex @code{csrc}
6428 @cindex @code{csrc_float}
6429 @cindex @code{csrc_double}
6430 @cindex @code{csrc_cl_N}
6431 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6432 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6433 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6434 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6435 classes provided by the CLN library):
6436
6437 @example
6438     // ...
6439     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6440     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6441     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6442     // ...
6443 @end example
6444
6445 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6446 @code{x*x}):
6447
6448 @example
6449 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6450 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6451 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6452 @end example
6453
6454 @cindex @code{tree}
6455 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6456 expression for debugging purposes:
6457
6458 @example
6459     // ...
6460     cout << tree << e;
6461 @}
6462 @end example
6463
6464 produces
6465
6466 @example
6467 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6468     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6469         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6470         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6471     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6472     -----
6473     overall_coeff
6474     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6475     =====
6476 @end example
6477
6478 @cindex @code{latex}
6479 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6480 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6481 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6482 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6483 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6484 constructor.
6485
6486 For example, the code snippet
6487
6488 @example
6489 @{
6490     symbol x("x", "\\circ");
6491     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6492     cout << latex << e << endl;
6493 @}
6494 @end example
6495
6496 will print
6497
6498 @example
6499     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6500     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6501 @end example
6502
6503 @cindex @code{index_dimensions}
6504 @cindex @code{no_index_dimensions}
6505 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6506 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6507 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6508 formats:
6509
6510 @example
6511 @{
6512     symbol x("x"), y("y");
6513     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6514     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6515
6516     cout << e << endl;
6517      // prints 'x~mu*y~nu'
6518     cout << index_dimensions << e << endl;
6519      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6520     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6521      // prints 'x~mu*y~nu'
6522 @}
6523 @end example
6524
6525
6526 @cindex Tree traversal
6527 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6528 with other algebra systems or for producing code for different
6529 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6530
6531 @example
6532 static void my_print(const ex & e)
6533 @{
6534     if (is_a<function>(e))
6535         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6536     else
6537         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6538     cout << "(";
6539     size_t n = e.nops();
6540     if (n)
6541         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6542             my_print(e.op(i));
6543             if (i != n-1)
6544                 cout << ",";
6545         @}
6546     else
6547         cout << e;
6548     cout << ")";
6549 @}
6550
6551 int main()
6552 @{
6553     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6554     return 0;
6555 @}
6556 @end example
6557
6558 This will produce
6559
6560 @example
6561 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6562 symbol(y))),numeric(-2)))
6563 @end example
6564
6565 If you need an output format that makes it possible to accurately
6566 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6567 object factory, you should consider storing the expression in an
6568 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6569 See the section on archiving for more information.
6570
6571
6572 @subsection Expression input
6573 @cindex input of expressions
6574
6575 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6576 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6577 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6578 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6579 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6580
6581 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6582 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6583
6584 @example
6585 @{
6586     symbol x, y;
6587     symtab table;
6588     table["x"] = x;
6589     table["y"] = y;
6590     parser reader(table);
6591     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6592 @}
6593 @end example
6594
6595 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6596 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6597 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6598 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6599 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6600 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6601
6602 @example
6603 @{
6604     symbol x, y;
6605     symtab table;
6606     table["x"] = x+log(y)+1;
6607     parser reader(table);
6608     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6609     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6610 @}
6611 @end example
6612
6613 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6614 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6615 with @code{get_syms()} method:
6616
6617 @example
6618 @{
6619     parser reader;
6620     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6621     symtab table = reader.get_syms();
6622     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6623     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6624 @}
6625 @end example
6626
6627 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6628 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6629
6630 @example
6631 @{
6632         symtab table;
6633         table["x"] = symbol();
6634         parser reader(table);
6635         parser.strict = true;
6636         ex e;
6637         try @{
6638                 e = reader("2*x+sin(y)");
6639         @} catch (parse_error& err) @{
6640                 cerr << err.what() << endl;
6641                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6642         @}
6643 @}
6644 @end example
6645
6646 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6647 When running the following program interactively, remember to send an
6648 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6649
6650 @example
6651 #include <iostream>
6652 #include <string>
6653 #include <stdexcept>
6654 #include <ginac/ginac.h>
6655 using namespace std;
6656 using namespace GiNaC;
6657
6658 int main()
6659 @{
6660         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6661         parser reader;
6662
6663         try @{
6664                 ex e = reader(cin);
6665                 symtab table = reader.get_syms();
6666                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6667                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6668                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6669                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6670         @} catch (exception &p) @{
6671                 cerr << p.what() << endl;
6672         @}
6673 @}
6674 @end example
6675
6676 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6677 @cindex compiling expressions
6678
6679 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6680 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6681 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6682 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6683 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6684 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6685 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6686 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6687 the numerical evaluation into different execution stages.
6688
6689 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6690 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6691 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6692 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6693 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6694 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6695
6696 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6697
6698 @example
6699     // ...
6700     symbol x("x");
6701     ex myexpr = sin(x) / x;
6702
6703     FUNCP_1P fp;
6704     compile_ex(myexpr, x, fp);
6705
6706     cout << fp(3.2) << endl;
6707     // ...
6708 @end example
6709
6710 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6711 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6712 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6713 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6714
6715 @cindex FUNCP_1P
6716 @cindex FUNCP_2P
6717 @cindex FUNCP_CUBA
6718 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6719 pointer types at the moment:
6720
6721 @example
6722     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6723     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6724     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6725 @end example
6726
6727 @cindex CUBA library
6728 @cindex Monte Carlo integration
6729 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6730 the correct type to be used with the CUBA library
6731 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6732 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6733
6734 @cindex compile_ex
6735 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6736
6737 @example
6738     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6739                     const std::string filename = "");
6740     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6741                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6742     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6743                     const std::string filename = "");
6744 @end example
6745
6746 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6747 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6748 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6749 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6750 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6751 deleted.
6752
6753 @cindex link_ex
6754 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6755 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6756 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6757 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6758 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6759 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6760 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6761
6762 @example
6763     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6764     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6765     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6766 @end example
6767
6768 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6769 to be supplied.
6770
6771 The function
6772
6773 @cindex unlink_ex
6774 @example
6775     void unlink_ex(const std::string filename);
6776 @end example
6777
6778 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6779 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6780 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6781 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6782
6783 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6784 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6785 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6786 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6787 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6788 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6789 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6790 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6791
6792 @cindex ginac-excompiler
6793 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6794 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6795 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6796 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6797 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6798
6799 @example
6800 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6801 compile_ex(...);
6802 @end example
6803
6804 @subsection Archiving
6805 @cindex @code{archive} (class)
6806 @cindex archiving
6807
6808 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6809 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6810 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6811 expression a unique name:
6812
6813 @example
6814 #include <fstream>
6815 #include <ginac/ginac.h>
6816 using namespace std;
6817 using namespace GiNaC;
6818
6819 int main()
6820 @{
6821     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6822
6823     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6824     ex bar = foo + 1;
6825
6826     archive a;
6827     a.archive_ex(foo, "foo");
6828     a.archive_ex(bar, "the second one");
6829     // ...
6830 @end example
6831
6832 The archive can then be written to a file:
6833
6834 @example
6835     // ...
6836     ofstream out("foobar.gar", ios::binary);
6837     out << a;
6838     out.close();
6839     // ...
6840 @end example
6841
6842 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6843 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}. The flag
6844 @code{ios::binary} prevents locales setting of your OS tampers the
6845 archive file structure.
6846
6847 @cindex @command{viewgar}
6848 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6849 the contents of GiNaC archive files:
6850
6851 @example
6852 $ viewgar foobar.gar
6853 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6854 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6855 @end example
6856
6857 The point of writing archive files is of course that they can later be
6858 read in again:
6859
6860 @example
6861     // ...
6862     archive a2;
6863     ifstream in("foobar.gar", ios::binary);
6864     in >> a2;
6865     // ...
6866 @end example
6867
6868 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6869
6870 @example
6871     // ...
6872     lst syms = @{x, y@};
6873
6874     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6875     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6876
6877     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6878     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6879     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6880 @}
6881 @end example
6882
6883 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6884 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6885 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6886 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6887 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6888 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6889 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6890 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6891
6892 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6893 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6894 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6895 functions that let you access the stored properties:
6896
6897 @example
6898 static void my_print2(const archive_node & n)
6899 @{
6900     string class_name;
6901     n.find_string("class", class_name);
6902     cout << class_name << "(";
6903
6904     archive_node::propinfovector p;
6905     n.get_properties(p);
6906
6907     size_t num = p.size();
6908     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6909         const string &name = p[i].name;
6910         if (name == "class")
6911             continue;
6912         cout << name << "=";
6913
6914         unsigned count = p[i].count;
6915         if (count > 1)
6916             cout << "@{";
6917
6918         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6919             switch (p[i].type) @{
6920                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6921                     bool x;
6922                     n.find_bool(name, x, j);
6923                     cout << (x ? "true" : "false");
6924                     break;
6925                 @}
6926                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6927                     unsigned x;
6928                     n.find_unsigned(name, x, j);
6929                     cout << x;
6930                     break;
6931                 @}
6932                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6933                     string x;
6934                     n.find_string(name, x, j);
6935                     cout << '\"' << x << '\"';
6936                     break;
6937                 @}
6938                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6939                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6940                     my_print2(x);
6941                     break;
6942                 @}
6943             @}
6944
6945             if (j != count-1)
6946                 cout << ",";
6947         @}
6948
6949         if (count > 1)
6950             cout << "@}";
6951
6952         if (i != num-1)
6953             cout << ",";
6954     @}
6955
6956     cout << ")";
6957 @}
6958
6959 int main()
6960 @{
6961     ex e = pow(2, x) - y;
6962     archive ar(e, "e");
6963     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6964     return 0;
6965 @}
6966 @end example
6967
6968 This will produce:
6969
6970 @example
6971 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6972 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6973 overall_coeff=numeric(number="0"))
6974 @end example
6975
6976 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6977 class may change between GiNaC versions.
6978
6979
6980 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6981 @c    node-name, next, previous, up
6982 @chapter Extending GiNaC
6983
6984 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6985 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6986 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6987 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6988 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6989 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6990
6991 @menu
6992 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6993 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6994 * Printing::                         Adding new output formats.
6995 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6996 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6997 @end menu
6998
6999
7000 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
7001 @c    node-name, next, previous, up
7002 @section What doesn't belong into GiNaC
7003
7004 @cindex @command{ginsh}
7005 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
7006 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
7007 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
7008 language.  There are no loops or conditional expressions in
7009 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
7010 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
7011 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
7012 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
7013 the future.
7014
7015 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
7016 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
7017 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
7018 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
7019 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
7020 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
7021 provided by CLN are much better suited.
7022
7023
7024 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
7025 @c    node-name, next, previous, up
7026 @section Symbolic functions
7027
7028 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
7029 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
7030 two preprocessor macros:
7031
7032 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
7033 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
7034 @example
7035 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
7036 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
7037 @end example
7038
7039 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
7040 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
7041 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
7042 @code{function} object that represents your function.
7043
7044 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
7045 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
7046 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
7047 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
7048 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
7049 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
7050 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
7051 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
7052
7053 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
7054 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
7055 done our best to avoid macros where we can.)
7056
7057 @subsection A minimal example
7058
7059 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
7060 that is not further evaluated:
7061
7062 @example
7063 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
7064
7065 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
7066 @end example
7067
7068 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
7069 in algebraic expressions:
7070
7071 @example
7072 @{
7073     ...
7074     symbol x("x");
7075     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
7076     cout << e << endl;
7077      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
7078     ...
7079 @}
7080 @end example
7081
7082 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
7083 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
7084 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
7085 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
7086
7087 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
7088 example of how to make an "intelligent" function.
7089
7090 @subsection The cosine function
7091
7092 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7093
7094 @example
7095 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7096 @end example
7097
7098 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7099 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7100 this function in expressions.
7101
7102 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7103 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7104
7105 @example
7106 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7107                        evalf_func(cos_evalf).
7108                        derivative_func(cos_deriv).
7109                        latex_name("\\cos"));
7110 @end example
7111
7112 There are four options defined for the cosine function. One of them
7113 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7114 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7115 function are defined.
7116
7117 @cindex @code{hold()}
7118 @cindex evaluation
7119 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7120 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7121 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7122 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7123 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7124 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7125 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7126 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7127 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7128 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7129 somewhere.
7130
7131 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7132 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7133 what is going on):
7134
7135 @example
7136 static ex cos_eval(const ex & x)
7137 @{
7138     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7139         return 1;
7140     else if ("x is a multiple of Pi")
7141         return -1;
7142     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7143         return 0;
7144     // more rules...
7145
7146     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7147         return y;
7148     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7149         return sqrt(1-y^2);
7150     // more rules...
7151
7152     else
7153         return cos(x).hold();
7154 @}
7155 @end example
7156
7157 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7158
7159 @example
7160 @{
7161     ...
7162     e = cos(Pi);
7163      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7164      // the actual expression
7165     cout << e << endl;
7166      // prints '-1'
7167     ...
7168 @}
7169 @end example
7170
7171 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7172 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7173 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7174 with @code{.hold()}.
7175
7176 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7177 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7178 different function:
7179
7180 @example
7181 static ex cos_evalf(const ex & x)
7182 @{
7183     if (is_a<numeric>(x))
7184         return cos(ex_to<numeric>(x));
7185     else
7186         return cos(x).hold();
7187 @}
7188 @end example
7189
7190 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7191 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7192 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7193 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7194 function would require it in this place.
7195
7196 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7197 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7198 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7199 @code{ex::diff}):
7200
7201 @example
7202 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7203 @{
7204     return -sin(x);
7205 @}
7206 @end example
7207
7208 @cindex product rule
7209 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7210 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7211 case the function has more than one parameter, and its main application
7212 is for correct handling of the chain rule.
7213
7214 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7215 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7216 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7217
7218 @example
7219 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7220 @{
7221         return Order(arg.diff(s));
7222 @}
7223 @end example
7224
7225 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7226 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7227 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7228 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7229 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7230 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7231 @code{derivative_func}. 
7232
7233 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7234 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7235 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7236 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7237
7238 @example
7239 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7240                      int order, unsigned options)
7241 @{
7242     // Find the actual expansion point
7243     const ex x_pt = x.subs(rel);
7244
7245     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7246         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7247
7248     // On a pole, expand sin()/cos()
7249     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7250 @}
7251 @end example
7252
7253 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7254 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7255
7256 @subsection Function options
7257
7258 GiNaC functions understand several more options which are always
7259 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7260 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7261 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7262 functions without any special options.
7263
7264 @example
7265 eval_func(<C++ function>)
7266 evalf_func(<C++ function>)
7267 derivative_func(<C++ function>)
7268 expl_derivative_func(<C++ function>)
7269 series_func(<C++ function>)
7270 conjugate_func(<C++ function>)
7271 @end example
7272
7273 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7274 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7275 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7276 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7277
7278 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7279 automatic evaluation is desired or possible.
7280
7281 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7282 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7283 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7284 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7285 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7286 suitable transformation.
7287
7288 @example
7289 latex_name(const string & n)
7290 @end example
7291
7292 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7293 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7294
7295 @example
7296 do_not_evalf_params()
7297 @end example
7298
7299 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7300 function before calling the @code{evalf_func()}.
7301
7302 @example
7303 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7304 @end example
7305
7306 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7307 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7308 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7309 @code{return_type_t} created like
7310
7311 @example
7312 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7313 @end example
7314
7315 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7316 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7317 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7318 @code{make_return_type_t<>()} 
7319
7320 @example
7321 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7322 @end example
7323
7324 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7325 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7326 details).
7327
7328 @example
7329 set_symmetry(const symmetry & s)
7330 @end example
7331
7332 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7333 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7334 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7335 symmetric functions into a canonical order.
7336
7337 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7338 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7339 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7340 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7341 with the
7342
7343 @example
7344 print_func<C>(<C++ function>)
7345 @end example
7346
7347 option which is explained in the next section.
7348
7349 @subsection Functions with a variable number of arguments
7350
7351 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7352 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7353 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7354 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7355 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7356
7357 It is also possible to define functions that accept a different number of
7358 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7359 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7360 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7361 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7362 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7363 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7364 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7365 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7366
7367
7368 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7369 @c    node-name, next, previous, up
7370 @section GiNaC's expression output system
7371
7372 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7373 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7374 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7375 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7376 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7377 functions.
7378
7379 @cindex @code{print_context} (class)
7380 @cindex @code{print_dflt} (class)
7381 @cindex @code{print_latex} (class)
7382 @cindex @code{print_tree} (class)
7383 @cindex @code{print_csrc} (class)
7384 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7385 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7386 header file:
7387
7388 @table @code
7389 @item print_dflt
7390 the default output format
7391 @item print_latex
7392 output in LaTeX mathematical mode
7393 @item print_tree
7394 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7395 @item print_csrc
7396 the base class for C source output
7397 @item print_csrc_float
7398 C source output using the @code{float} type
7399 @item print_csrc_double
7400 C source output using the @code{double} type
7401 @item print_csrc_cl_N
7402 C source output using CLN types
7403 @end table
7404
7405 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7406
7407 @example
7408 class print_context
7409 @{
7410     ...
7411 public:
7412     std::ostream & s;
7413     unsigned options;
7414 @};
7415 @end example
7416
7417 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7418 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7419 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7420 to print the index dimension which is normally hidden.
7421
7422 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7423 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7424 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7425 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7426
7427 @cindex @code{print()}
7428 @example
7429 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7430 @end example
7431
7432 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7433 top-level algebraic object contained in the expression.
7434
7435 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7436 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7437 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7438 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7439 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7440 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7441 (single) virtual function dispatch.
7442
7443 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7444 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7445 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7446 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7447 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7448 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7449 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7450 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7451 object's class name enclosed in square brackets).
7452
7453 You can think of the print methods of all the different classes and output
7454 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7455 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7456 classes.
7457
7458 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7459 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7460 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7461 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7462 methods at run-time).
7463
7464 @subsection Print methods for classes
7465
7466 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7467 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7468 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7469 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7470 can also be used to override existing methods dynamically.
7471
7472 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7473 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7474 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7475 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7476 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7477 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7478 the class is the one being implemented by
7479 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7480
7481 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7482 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7483 @code{unsigned}.
7484
7485 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7486 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7487 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7488 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7489 private and protected members of @code{T}.
7490
7491 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7492 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7493 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7494 purposes if you write your own output formats.
7495
7496 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7497 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7498 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7499 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7500
7501 @example
7502 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7503                              const print_latex & c,
7504                              unsigned level)
7505 @{
7506     // get the precedence of the 'power' class
7507     unsigned power_prec = p.precedence();
7508
7509     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7510     // we need parentheses around the power
7511     if (level >= power_prec)
7512         c.s << '(';
7513
7514     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7515     // separated by an uparrow
7516     c.s << '@{';
7517     p.op(0).print(c, power_prec);
7518     c.s << "@}\\uparrow@{";
7519     p.op(1).print(c, power_prec);
7520     c.s << '@}';
7521
7522     // don't forget the closing parenthesis
7523     if (level >= power_prec)
7524         c.s << ')';
7525 @}
7526                                                                                 
7527 int main()
7528 @{
7529     // a sample expression
7530     symbol x("x"), y("y");
7531     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7532
7533     // switch to LaTeX mode
7534     cout << latex;
7535
7536     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7537     cout << e << endl;
7538
7539     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7540     // our own one
7541     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7542
7543     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7544     //              \uparrow@{2@}@}"
7545     cout << e << endl;
7546 @}
7547 @end example
7548
7549 Some notes:
7550
7551 @itemize
7552
7553 @item
7554 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7555 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7556
7557 @item
7558 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7559 @code{power} objects for the purpose of printing.
7560
7561 @item
7562 The output of products including negative powers as fractions is also
7563 controlled by the @code{mul} class.
7564
7565 @item
7566 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7567 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7568
7569 @end itemize
7570
7571 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7572 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7573 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7574 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7575 sources, find the method that is installed at startup
7576 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7577 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7578
7579 @subsection Print methods for functions
7580
7581 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7582 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7583 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7584 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7585 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7586
7587 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7588
7589 @example
7590 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7591 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7592                                                                                 
7593 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7594 @{
7595     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7596 @}
7597                                                                                 
7598 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7599 @{
7600     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7601 @}
7602                                                                                 
7603 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7604                        evalf_func(abs_evalf).
7605                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7606                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7607                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7608 @end example
7609
7610 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7611 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7612
7613 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7614
7615 @subsection Adding new output formats
7616
7617 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7618 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7619 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7620 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7621 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7622 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7623 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7624 options value.
7625
7626 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7627
7628 @example
7629 class print_myformat : public print_dflt
7630 @{
7631     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7632 public:
7633     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7634      : print_dflt(os, opt) @{@}
7635 @};
7636
7637 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7638
7639 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7640 @end example
7641
7642 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7643 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7644 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7645 format are implemented as print methods, as described above.
7646
7647 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7648 exactly like GiNaC's default output format:
7649
7650 @example
7651 @{
7652     symbol x("x");
7653     ex e = pow(x, 2) + 1;
7654
7655     // this prints "1+x^2"
7656     cout << e << endl;
7657     
7658     // this also prints "1+x^2"
7659     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7660
7661     ...
7662 @}
7663 @end example
7664
7665 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7666 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7667
7668 @example
7669 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7670 // example above for explanations.
7671 void print_power_as_myformat(const power & p,
7672                              const print_myformat & c,
7673                              unsigned level)
7674 @{
7675     unsigned power_prec = p.precedence();
7676     if (level >= power_prec)
7677         c.s << '(';
7678     p.op(0).print(c, power_prec);
7679     c.s << "**";
7680     p.op(1).print(c, power_prec);
7681     if (level >= power_prec)
7682         c.s << ')';
7683 @}
7684
7685 @{
7686     ...
7687     // install a new print method for power objects
7688     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7689
7690     // now this prints "1+x**2"
7691     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7692
7693     // but the default format is still "1+x^2"
7694     cout << e << endl;
7695 @}
7696 @end example
7697
7698
7699 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7700 @c    node-name, next, previous, up
7701 @section Structures
7702
7703 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7704 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7705 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7706 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7707 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7708
7709 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7710 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7711 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7712 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7713 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7714 read both sections because many common concepts and member functions are
7715 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7716 is most suited to your needs.
7717
7718 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7719 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7720 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7721
7722 @subsection Example: scalar products
7723
7724 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7725 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7726 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7727 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7728 product in a C++ @code{struct}:
7729
7730 @example
7731 #include <iostream>
7732 #include <ginac/ginac.h>
7733 using namespace std;
7734 using namespace GiNaC;
7735
7736 struct sprod_s @{
7737     ex left, right;
7738
7739     sprod_s() @{@}
7740     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7741 @};
7742 @end example
7743
7744 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7745 data structure, we need only one line:
7746
7747 @example
7748 typedef structure<sprod_s> sprod;
7749 @end example
7750
7751 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7752 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7753 expressions like any other GiNaC class:
7754
7755 @example
7756 ...
7757     symbol a("a"), b("b");
7758     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7759 ...
7760 @end example
7761
7762 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7763 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7764 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7765 constructed from an @code{sprod_s} object.
7766
7767 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7768 you could define a little wrapper function like this:
7769
7770 @example
7771 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7772 @{
7773     return sprod(sprod_s(left, right));
7774 @}
7775 @end example
7776
7777 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7778 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7779 @code{get_struct()}:
7780
7781 @example
7782 ...
7783     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7784      // -> a
7785     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7786      // -> b
7787 ...
7788 @end example
7789
7790 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7791
7792 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7793 that deal with scalar products, for example:
7794
7795 @example
7796 ex swap_sprod(ex p)
7797 @{
7798     if (is_a<sprod>(p)) @{
7799         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7800         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7801     @} else
7802         return p;
7803 @}
7804
7805 ...
7806     f = swap_sprod(e);
7807      // f is now <b|a>
7808 ...
7809 @end example
7810
7811 @subsection Structure output
7812
7813 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7814 desired, most notably proper output:
7815
7816 @example
7817 ...
7818     cout << e << endl;
7819      // -> [structure object]
7820 ...
7821 @end example
7822
7823 By default, any structure types you define will be printed as
7824 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7825 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7826 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7827 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7828 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7829 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7830
7831 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7832 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7833
7834 @example
7835 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7836 @{
7837     // tree debug output handled by superclass
7838     if (is_a<print_tree>(c))
7839         inherited::print(c, level);
7840
7841     // get the contained sprod_s object
7842     const sprod_s & sp = get_struct();
7843
7844     // print_context::s is a reference to an ostream
7845     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7846 @}
7847 @end example
7848
7849 Now we can print expressions containing scalar products:
7850
7851 @example
7852 ...
7853     cout << e << endl;
7854      // -> <a|b>
7855     cout << swap_sprod(e) << endl;
7856      // -> <b|a>
7857 ...
7858 @end example
7859
7860 @subsection Comparing structures
7861
7862 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7863 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7864 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7865 and undesired behavior:
7866
7867 @example
7868 ...
7869     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7870      // -> 0
7871     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7872      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7873 ...
7874 @end example
7875
7876 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7877 for objects of type @code{sprod_s}:
7878
7879 @example
7880 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7881 @{
7882     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7883 @}
7884
7885 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7886 @{
7887     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7888            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7889 @}
7890 @end example
7891
7892 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7893 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7894 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7895 in the implementation of these operators because they would construct
7896 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7897 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7898 decide which one is algebraically 'less').
7899
7900 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7901 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7902
7903 @example
7904 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7905 @end example
7906
7907 @code{sprod} objects then behave as expected:
7908
7909 @example
7910 ...
7911     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7912      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7913     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7914      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7915     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7916      // -> 0
7917     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7918      // -> 2*<a|b>
7919 ...
7920 @end example
7921
7922 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7923 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7924 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7925 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7926 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7927 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7928
7929 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7930 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7931 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7932 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7933 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7934 undefined value) that the @code{T} class might have.
7935
7936 @subsection Subexpressions
7937
7938 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7939 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7940 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7941
7942 @example
7943 size_t sprod::nops() const
7944 @{
7945     return 2;
7946 @}
7947
7948 ex sprod::op(size_t i) const
7949 @{
7950     switch (i) @{
7951     case 0:
7952         return get_struct().left;
7953     case 1:
7954         return get_struct().right;
7955     default:
7956         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7957     @}
7958 @}
7959 @end example
7960
7961 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7962 @code{sprod} has two other nice side effects:
7963
7964 @itemize @bullet
7965 @item
7966 @code{has()} works as expected
7967 @item
7968 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7969 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7970 @end itemize
7971
7972 @cindex @code{let_op()}
7973 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7974 allows replacing subexpressions:
7975
7976 @example
7977 ex & sprod::let_op(size_t i)
7978 @{
7979     // every non-const member function must call this
7980     ensure_if_modifiable();
7981
7982     switch (i) @{
7983     case 0:
7984         return get_struct().left;
7985     case 1:
7986         return get_struct().right;
7987     default:
7988         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7989     @}
7990 @}
7991 @end example
7992
7993 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7994 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7995 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7996 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7997
7998 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7999 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
8000 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
8001 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
8002 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
8003 This is left as an exercise for the reader.
8004
8005 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
8006 you can override by specialization to customize the behavior of your
8007 structures. You are referred to the next section for a description of
8008 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
8009 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
8010 @code{structure<T>} template: archiving.
8011
8012 @subsection Archiving structures
8013
8014 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
8015 should first read the next section and then come back here. You're back?
8016 Good.
8017
8018 To implement archiving for structures it is not enough to provide
8019 specializations for the @code{archive()} member function and the
8020 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
8021 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
8022 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
8023 the class of an object is stored as a string, the class name.
8024
8025 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
8026 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
8027 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
8028 need to provide a different name for each by specializing the
8029 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
8030 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
8031
8032 @example
8033 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
8034
8035 void sprod::archive(archive_node & n) const
8036 @{
8037     inherited::archive(n);
8038     n.add_ex("left", get_struct().left);
8039     n.add_ex("right", get_struct().right);
8040 @}
8041
8042 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
8043 @{
8044     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
8045     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
8046 @}
8047 @end example
8048
8049 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
8050 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
8051 @code{sprod::unarchive()} function.
8052
8053
8054 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
8055 @c    node-name, next, previous, up
8056 @section Adding classes
8057
8058 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
8059 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
8060 severe of which being that you can't add any new member functions to
8061 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
8062 from scratch.
8063
8064 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
8065 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
8066 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
8067 required member functions are that you have to implement. We only cover the
8068 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
8069 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
8070 representing tensor products is more involved but this section should give
8071 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
8072 classes if you want to implement something more complicated.
8073
8074 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
8075
8076 @cindex hierarchy of classes
8077 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
8078 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
8079 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
8080 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
8081 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
8082 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
8083 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
8084 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
8085 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
8086 in @file{registrar.h}):
8087 @itemize @bullet
8088 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
8089 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
8090 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8091 @end itemize
8092
8093 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8094 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8095 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8096 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8097 the opening brace of the class definition.
8098
8099 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8100 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8101 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8102 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8103 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8104
8105 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8106 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8107 options, such as custom printing functions.
8108
8109 @subsection A minimalistic example
8110
8111 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8112 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8113 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8114 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8115 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8116 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8117
8118 The code snippets given here assume that you have included some header files
8119 as follows:
8120
8121 @example
8122 #include <iostream>
8123 #include <string>   
8124 #include <stdexcept>
8125 #include <ginac/ginac.h>
8126 using namespace std;
8127 using namespace GiNaC;
8128 @end example
8129
8130 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8131 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8132 object from a string:
8133
8134 @example
8135 class mystring : public basic
8136 @{
8137     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8138   
8139 public:
8140     mystring(const string & s);
8141
8142 private:
8143     string str;
8144 @};
8145
8146 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8147 @end example
8148
8149 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8150 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8151 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8152 of a class so that printing and (un)archiving works.
8153
8154 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8155 class:
8156
8157 @itemize
8158
8159 @item
8160 @code{mystring()}, the default constructor.
8161
8162 @item
8163 @cindex @code{compare_same_type()}
8164 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8165 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8166 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8167 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8168 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8169 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8170 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8171 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8172 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8173 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8174 defined.
8175
8176 @item
8177 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8178 we declared.
8179
8180 @end itemize
8181
8182 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8183
8184 @example
8185 mystring::mystring() @{ @}
8186 @end example
8187
8188 In the default constructor you should set all other member variables to
8189 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8190 member gets set to an empty string automatically).
8191
8192 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8193 the string members:
8194
8195 @example
8196 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8197 @{
8198     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8199     int cmpval = str.compare(o.str);
8200     if (cmpval == 0)
8201         return 0;
8202     else if (cmpval < 0)
8203         return -1;
8204     else
8205         return 1;
8206 @}
8207 @end example
8208
8209 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8210 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8211 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8212 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8213 all relevant member variables.
8214
8215 Now the only thing missing is our constructor:
8216
8217 @example
8218 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8219 @end example
8220
8221 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8222
8223 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8224 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8225
8226 @example
8227 ex e = mystring("Hello, world!");
8228 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8229  // -> 1 (true)
8230
8231 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8232  // -> mystring
8233 @end example
8234
8235 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8236
8237 @example
8238 cout << e << endl;
8239  // -> [mystring object]
8240 @end example
8241
8242 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8243 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8244 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8245 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8246 surrounded by double quotes:
8247
8248 @example
8249 class mystring : public basic
8250 @{
8251     ...
8252 protected:
8253     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8254     ...
8255 @};
8256
8257 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8258 @{
8259     // print_context::s is a reference to an ostream
8260     c.s << '\"' << str << '\"';
8261 @}
8262 @end example
8263
8264 The @code{level} argument is only required for container classes to
8265 correctly parenthesize the output.
8266
8267 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8268 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8269 replace the line
8270
8271 @example
8272 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8273 @end example
8274
8275 with
8276
8277 @example
8278 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8279   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8280 @end example
8281
8282 Let's try again to print the expression:
8283
8284 @example
8285 cout << e << endl;
8286  // -> "Hello, world!"
8287 @end example
8288
8289 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8290 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8291 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8292 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8293 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8294 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8295 way expression output is implemented in GiNaC.
8296
8297 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8298
8299 @example
8300 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8301 cout << e << endl;
8302  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8303 @end example
8304
8305 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8306
8307 @example
8308 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8309 cout << e << endl;
8310  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8311 @end example
8312
8313 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8314 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8315 for your objects.
8316
8317 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8318
8319 @example
8320 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8321 cout << e << endl;
8322  // -> "Wow"^2
8323
8324 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8325 cout << e.expand() << endl;
8326  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8327 @end example
8328
8329 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8330 concatenation. You would have to implement this yourself.
8331
8332 @subsection Automatic evaluation
8333
8334 @cindex evaluation
8335 @cindex @code{eval()}
8336 @cindex @code{hold()}
8337 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8338 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8339 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8340 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8341 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8342 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8343
8344 @example
8345 class mystring : public basic
8346 @{
8347     ...
8348 public:
8349     ex eval() const override;
8350     ...
8351 @};
8352
8353 ex mystring::eval() const
8354 @{
8355     string new_str;
8356     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8357         char c = str[i];
8358         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8359             new_str += tolower(c);
8360         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8361             new_str += c;
8362     @}
8363
8364     if (new_str.length() == 0)
8365         return 0;
8366
8367     return mystring(new_str).hold();
8368 @}
8369 @end example
8370
8371 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8372 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8373 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8374
8375 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8376 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8377 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8378 with this.
8379
8380 Let's confirm that it works:
8381
8382 @example
8383 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8384 cout << e << endl;
8385  // -> "helloworld"
8386
8387 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8388 cout << e << endl;
8389  // -> 3*"wow"
8390 @end example
8391
8392 @subsection Optional member functions
8393
8394 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8395 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8396 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8397
8398 @cindex @code{calchash()}
8399 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8400 @example
8401 unsigned calchash() const override;
8402 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8403 @end example
8404
8405 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8406 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8407 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8408 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8409 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8410 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8411
8412 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8413 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8414 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8415 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8416
8417 @subsection Other member functions
8418
8419 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8420 might want to provide:
8421
8422 @example
8423 bool info(unsigned inf) const override;
8424 ex evalf() const override;
8425 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8426 ex derivative(const symbol & s) const override;
8427 @end example
8428
8429 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8430 previous section) you will probably want to override
8431
8432 @cindex @code{let_op()}
8433 @example
8434 size_t nops() const override;
8435 ex op(size_t i) const override;
8436 ex & let_op(size_t i) override;
8437 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8438 ex map(map_function & f) const override;
8439 @end example
8440
8441 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8442 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8443 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8444
8445 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8446 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8447 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8448 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8449 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8450 should become a need.
8451
8452 That's it. May the source be with you!
8453
8454 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8455
8456 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8457 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8458 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8459
8460 @example
8461 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8462 @end example
8463
8464 needs to be rewritten as
8465
8466 @example
8467 myclass::myclass() @{@}
8468 @end example
8469
8470 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8471 @c    node-name, next, previous, up
8472 @chapter A Comparison With Other CAS
8473 @cindex advocacy
8474
8475 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8476 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8477 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8478 disadvantages over these systems.
8479
8480 @menu
8481 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8482 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8483 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8484 @end menu
8485
8486 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8487 @c    node-name, next, previous, up
8488 @section Advantages
8489
8490 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8491 Algebra Systems, like 
8492
8493 @itemize @bullet
8494
8495 @item
8496 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8497 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8498 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8499 in common C++, which is standardized.
8500
8501 @cindex STL
8502 @item
8503 structured data types: you can build up structured data types using
8504 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8505 using unnamed lists of lists of lists.
8506
8507 @item
8508 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8509 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8510 nice for novice programmers, but dangerous.
8511     
8512 @item
8513 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8514 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8515 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8516
8517 @item
8518 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8519 separating interface and implementation.
8520
8521 @item
8522 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8523 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8524 C++-compilers for free, too.
8525     
8526 @item
8527 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8528 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8529 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8530 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8531 fix bugs in a traditional system.
8532
8533 @item
8534 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8535 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8536 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8537 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8538 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8539 all, of GiNaC's types to a command line.
8540
8541 @item
8542 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8543 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8544 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8545 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8546 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8547 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8548 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8549 system (i.e. @emph{Yacas}).
8550
8551 @item
8552 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8553 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8554 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8555 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8556 speed with other CAS.
8557
8558 @end itemize
8559
8560
8561 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8562 @c    node-name, next, previous, up
8563 @section Disadvantages
8564
8565 Of course it also has some disadvantages:
8566
8567 @itemize @bullet
8568
8569 @item
8570 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8571 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8572 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8573 respect to mathematical features.  Integration, 
8574 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8575 not planned for the near future).
8576
8577 @item
8578 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8579 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8580 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8581 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8582 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8583 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8584 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8585 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8586 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8587 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8588 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8589 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8590 literally.
8591     
8592 @end itemize
8593
8594
8595 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8596 @c    node-name, next, previous, up
8597 @section Why C++?
8598
8599 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8600 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8601 possible), separation between interface and implementation is not
8602 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8603 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8604 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8605 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8606 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8607 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8608 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8609 any other programming language.
8610
8611
8612 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8613 @c    node-name, next, previous, up
8614 @appendix Internal structures
8615
8616 @menu
8617 * Expressions are reference counted::
8618 * Internal representation of products and sums::
8619 @end menu
8620
8621 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8622 @c    node-name, next, previous, up
8623 @appendixsection Expressions are reference counted
8624
8625 @cindex reference counting
8626 @cindex copy-on-write
8627 @cindex garbage collection
8628 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8629 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8630 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8631 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8632 skip the rest of this passage.
8633
8634 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8635 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8636 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8637 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8638 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8639 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8640 of code:
8641
8642 @example
8643 #include <iostream>
8644 #include <ginac/ginac.h>
8645 using namespace std;
8646 using namespace GiNaC;
8647
8648 int main()
8649 @{
8650     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8651     ex e1, e2;
8652
8653     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8654     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8655     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8656     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8657     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8658 @}
8659 @end example
8660
8661 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8662 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8663 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8664 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8665 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8666 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8667 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8668 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8669 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8670 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8671 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8672 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8673 can be:
8674
8675 @example
8676 @{
8677     symbol x("x"), y("y");
8678
8679     ex e1 = x + 3*y;
8680     ex e2 = pow(e1, 3);
8681     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8682     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8683          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8684          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8685 @}
8686 @end example
8687
8688 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8689 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8690 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8691 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8692 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8693 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8694 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8695 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8696 @code{3*e1^2}.
8697
8698 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8699 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8700 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8701 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8702 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8703 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8704 semantics, we recommend you have a look at the
8705 @uref{https://isocpp.org/faq, C++-FAQ's} chapter on memory management.
8706 It covers this issue and presents an implementation which is pretty
8707 close to the one in GiNaC.
8708
8709
8710 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8711 @c    node-name, next, previous, up
8712 @appendixsection Internal representation of products and sums
8713
8714 @cindex representation
8715 @cindex @code{add}
8716 @cindex @code{mul}
8717 @cindex @code{power}
8718 Although it should be completely transparent for the user of
8719 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8720 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8721 unexpanded symbolic expression 
8722 @tex
8723 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8724 @end tex
8725 @ifnottex
8726 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8727 @end ifnottex
8728 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8729 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8730 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8731 fashion:
8732
8733 @ifnotinfo
8734 @image{repnaive}
8735 @end ifnotinfo
8736 @ifinfo
8737 <PICTURE MISSING>
8738 @end ifinfo
8739
8740 @cindex pair-wise representation
8741 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8742 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8743 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8744 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8745 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8746 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8747 becomes much more flat:
8748
8749 @ifnotinfo
8750 @image{reppair}
8751 @end ifnotinfo
8752 @ifinfo
8753 <PICTURE MISSING>
8754 @end ifinfo
8755
8756 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8757 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8758 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8759 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8760 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8761 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8762 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8763 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8764 representation, however, since they are still carrying a trivial
8765 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8766 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8767 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8768 representation for
8769 @tex
8770 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8771 @end tex
8772 @ifnottex
8773 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8774 @end ifnottex
8775
8776 @ifnotinfo
8777 @image{repreal}
8778 @end ifnotinfo
8779 @ifinfo
8780 <PICTURE MISSING>
8781 @end ifinfo
8782
8783 @cindex radical
8784 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8785 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8786 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8787 same abstract class: the data representation is the same, only the
8788 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8789 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8790 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8791
8792
8793 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8794 @c    node-name, next, previous, up
8795 @appendix Package tools
8796
8797 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8798 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8799 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8800 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8801 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8802 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8803 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8804 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8805 @example
8806 g++ -o simple simple.cpp `pkg-config --cflags --libs ginac`
8807 @end example
8808
8809 This command line might expand to (for example):
8810 @example
8811 g++ -o simple simple.cpp -lginac -lcln
8812 @end example
8813
8814 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8815 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8816
8817 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8818 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8819 checking for libraries
8820
8821 @example
8822 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8823                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8824                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8825 @end example
8826
8827 This macro:
8828
8829 @itemize @bullet
8830
8831 @item
8832 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8833 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8834 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8835
8836 @item
8837 Tests the installed libraries to make sure that their version
8838 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8839
8840 @item
8841 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8842 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8843 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8844 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8845 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8846
8847 @item
8848 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8849
8850 @end itemize
8851
8852 @menu
8853 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8854 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8855 @end menu
8856
8857
8858 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8859 @c    node-name, next, previous, up
8860 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8861
8862 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8863 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8864 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8865 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8866 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8867
8868 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8869 system.
8870
8871 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8872 the linkers where to find the library one should
8873
8874 @itemize @bullet
8875 @item
8876 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8877 @example
8878 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8879 # ldconfig
8880 @end example
8881
8882 @item
8883 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8884 @example
8885 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8886 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8887 @end example
8888
8889 @item
8890 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8891 for instance:
8892
8893 @example
8894 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8895 @end example
8896 @end itemize
8897
8898 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8899 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8900 @example
8901 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8902 @end example
8903
8904 Finally, run the @command{configure} script
8905 @example
8906 $ ./configure 
8907 @end example
8908
8909 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8910
8911 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8912 @c    node-name, next, previous, up
8913 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8914
8915 The following shows how to build a simple package using automake
8916 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8917
8918 @example
8919 #include <iostream>
8920 #include <ginac/ginac.h>
8921
8922 int main()
8923 @{
8924     GiNaC::symbol x("x");
8925     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8926     std::cout << "Derivative of " << a 
8927               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8928     return 0;
8929 @}
8930 @end example
8931
8932 You should first read the introductory portions of the automake
8933 Manual, if you are not already familiar with it.
8934
8935 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8936 configure script:
8937
8938 @example
8939 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8940 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8941 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8942 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8943
8944 AC_PROG_CXX
8945 AC_PROG_INSTALL
8946 AC_LANG([C++])
8947
8948 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8949
8950 AC_OUTPUT(Makefile)
8951 @end example
8952
8953 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8954 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8955 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8956 @example
8957 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8958
8959 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8960
8961 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8962 installed software in a non-standard prefix.
8963
8964 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8965 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8966 See the pkg-config man page for more details.
8967 @end example
8968
8969 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8970
8971 @example
8972 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8973 bin_PROGRAMS = simple
8974 simple_SOURCES = simple.cpp
8975 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8976 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8977 @end example
8978
8979 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8980 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8981 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8982 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8983 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8984 basis.
8985
8986 To try this example out, create a new directory and add the three
8987 files above to it.
8988
8989 Now execute the following command:
8990
8991 @example
8992 $ autoreconf -i
8993 @end example
8994
8995 You now have a package that can be built in the normal fashion
8996
8997 @example
8998 $ ./configure
8999 $ make
9000 $ make install
9001 @end example
9002
9003
9004 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
9005 @c    node-name, next, previous, up
9006 @appendix Bibliography
9007
9008 @itemize @minus{}
9009
9010 @item
9011 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
9012
9013 @item
9014 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
9015
9016 @item
9017 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
9018
9019 @item
9020 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
9021
9022 @item
9023 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
9024 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
9025
9026 @item
9027 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
9028 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
9029 Academic Press, London
9030
9031 @item
9032 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
9033 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
9034
9035 @item
9036 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
9037 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
9038
9039 @item
9040 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
9041 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
9042
9043 @item
9044 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
9045
9046 @end itemize
9047
9048
9049 @node Concept index, , Bibliography, Top
9050 @c    node-name, next, previous, up
9051 @unnumbered Concept index
9052
9053 @printindex cp
9054
9055 @bye