]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
04b7427a7dc995e246f93fde73a3a8947221ef79
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[]{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\component}{component}
17 \newcommand{\components}{components}
18
19 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
20 \newcommand{\COQ}{Coq}
21 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
22 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
23 \newcommand{\HELM}{Helm}
24 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
25 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
26 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
27 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
28 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
29 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
30 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
31 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
32 \newcommand{\MATITA}{Matita}
33 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
34 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
35 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
36 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
37 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
38 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
39 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
40 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
41 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
42 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
43 \newcommand{\GETTER}{Getter}
44 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
45 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
46 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
47 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
48 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
49 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
50 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
51 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
52 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
53 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
54 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
55
56 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
57 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
58 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
59 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
60
61 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
62 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
63  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
64  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
65   \begin{center}
66    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
67   \end{center}}
68
69 \newcounter{example}
70 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
71  {}
72 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
73 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
74 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
75 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
76 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
77
78 \newcounter{pass}
79 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
80
81 \newsavebox{\tmpxyz}
82 \newcommand{\sequent}[2]{
83   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
84     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
85       \ensuremath{#1} \\
86       \rule{3cm}{0.03cm}\\
87       \ensuremath{#2}
88     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
89   \begin{center}
90    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
91   \end{center}}
92
93 \bibliographystyle{plain}
94
95 \begin{document}
96
97 \begin{opening}
98
99  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
100
101 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
102 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
103 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
104 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
105 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
106  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
107
108 \runningtitle{The Matita proof assistant}
109 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
110
111 % \date{data}
112
113 \begin{motto}
114 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
115 \end{motto}
116
117 \begin{abstract}
118  abstract qui
119 \end{abstract}
120
121 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
122 Digital Libraries}
123
124 \end{opening}
125
126 \section{Introduction}
127 \label{sec:intro}
128 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
129 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
130 Prof.~Asperti. \\
131 The paper describes the overall architecture of
132 the system, focusing on its most distintive and innovative 
133 features.
134
135 \subsection{Historical Perspective}
136 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
137 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
138 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
139 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
140 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
141 have been also conducted with other systems, and notably 
142 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
143 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
144 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
145 following steps:
146 \begin{itemize}
147 \item exporting the information from the internal representation of
148  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
149 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
150 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
151 of the library were the the main components around which everything else 
152 has to be build;
153 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
154  queries to the library; 
155 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
156 %search engine, described in~\cite{whelp};
157 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
158 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
159 active in the MathML Working group since 1999.}; 
160 %and developed inside
161 %\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
162 %which can be integrated in any application.
163 \end{itemize}
164
165 According to our content-centric commitment, the library exported from
166 Coq was conceived as being distributed and most of the tools were developed
167 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
168 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
169
170 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
171 to a set of software libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
172 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
173 tools and software libraries:
174 \begin{itemize}
175 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
176 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
177 \cite{exportation-module};
178 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
179 XML knowledge base;
180 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
181 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
182 logically relevant content;
183 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
184 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
185 mathematical notation \cite{disambiguation};
186 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
187 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
188 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
189 language \cite{remathematization};
190 \item an innovative, MathML-compliant rendering widget for the GTK 
191 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
192 high-quality bidimensional
193 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
194 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
195 a different text area.
196 \end{itemize}
197 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
198 too far away: essentially, we ``just'' had to
199 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
200 overall management of the library, integrating everything into a
201 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
202
203 \subsection{The System}
204 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''
205
206 \begin{itemize}
207  \item scelta del sistema fondazionale
208  \item sistema indipendente (da Coq)
209  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
210 \end{itemize}
211
212 \subsection{Relationship with \COQ{}}
213
214 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
215 more the effect of the circumstances of its creation described 
216 above than the result of a deliberate design. In particular, we
217 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
218 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
219 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
220 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
221 two systems.
222
223 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
224 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
225 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
226 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
227 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
228 we could furtherly reduce our code in sensible way).
229
230 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
231 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
232 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
233
234 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
235 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
236 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
237 the parser for ambiguous mathematical notation.
238
239 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
240 historically. \COQ{} is a quite old
241 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
242 several developers have took over the code and several new research ideas
243 that were not considered in the original architecture have been experimented
244 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
245 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
246 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
247 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
248 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
249 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
250 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
251 of the code.
252
253 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
254 we have took advantage of the research results and experiences previously
255 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
256 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
257 the code in coherent minimally coupled libraries.
258
259 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
260 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
261 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
262 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
263
264 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
265 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
266 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
267
268 \begin{figure}[t]
269  \begin{center}
270   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
271   \caption{\MATITA{} libraries}
272   \label{fig:libraries}
273  \end{center}
274 \end{figure}
275
276 \section{Overview of the Architecture}
277 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
278 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
279 project.
280
281 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
282 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
283 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
284
285 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
286 at different scales. Applications that require only a few functionalities
287 depend on a restricted set of \components{}.
288
289 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
290 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
291 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
292 elsewhere. In particular:
293 \begin{itemize}
294  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
295    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
296    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
297    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
298    distributed on the network. More information on the Getter can be found
299    in~\cite{zack-master}.
300  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
301    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
302    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
303    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
304    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
305    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
306    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
307    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
308    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
309    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
310  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
311    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
312    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
313    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
314    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
315    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
316  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
317    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
318    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
319    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
320    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
321    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
322  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
323    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
324    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
325 \end{itemize}
326
327 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
328 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
329 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
330 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
331 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
332 is just a wrapper to the \texttt{getter} \component{} that allows the
333 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
334 of the \texttt{getter} \component, or it can use a stub library with the same
335 API that forwards every request to the Getter.
336
337 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
338 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
339 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
340 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
341 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
342 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
343 a different set of functionalities. The four different levels are:
344 fully specified terms; partially specified terms; 
345 content level terms; presentation level terms.
346
347 \subsection{Fully specified terms}
348  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
349    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
350    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
351    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
352    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
353    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
354    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
355    consumption.
356
357    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
358    and provides a parser for terms stored in an XML format.
359
360    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
361    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
362    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
363    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
364    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
365
366    Terms may reference other mathematical notions in the library.
367    One commitment of our project is that the library should be physically
368    distributed. The \texttt{getter} \component{} manages the distribution,
369    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
370    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
371    data type and several utility functions over URIs. The
372    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \texttt{getter}
373    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
374    notion referenced by a term that is being type-checked. 
375
376    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
377    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
378
379    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
380    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
381    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
382    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
383    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
384    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
385    a simplified
386    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
387    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
388    metadata
389    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
390    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
391    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
392    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
393    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
394    (that will be described later on and that is implemented in the
395     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
396    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
397    candidates. The process that has issued the query is responsible of
398    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
399    out false matches if interested in doing so.
400
401    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
402    the \texttt{whelp} \component.
403
404    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
405    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
406    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
407    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
408    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
409    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
410    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
411    in Sect.~\ref{decompilazione}.
412    
413 \subsection{Partially specified terms}
414 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
415 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
416 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
417 linearly. The latters may occur multiple times and are called
418 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
419 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
420 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
421 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
422 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
423 value for the term bound by the hypothesis.
424
425 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
426 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
427 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
428 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
429 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
430 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
431 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
432 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
433 as few as possible metavariables that occur in them.
434
435 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
436 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
437 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
438 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
439 prove.
440
441 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
442 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
443 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
444 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
445 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
446
447 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
448 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
449 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
450 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
451 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
452 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
453 previous statuses. \TODO{parlare di disambiguazione lazy \& co?}
454
455 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
456 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
457 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
458 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
459 information that can be inferred by the refiner.
460
461 \subsection{Content level terms}
462 \label{sec:contentintro}
463
464 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
465 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
466 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
467 ambiguity that the mathematical language provides.
468
469 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
470 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
471 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
472 or for their computational properties. For instance equality over real
473 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
474 rational numbers.
475
476 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
477 properties without caring about their representation. However the computational
478 properties of addition over the binary representation are very different from
479 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
480 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
481
482 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
483 very precise on the types he is using and their representation. However,
484 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
485 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
486 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
487 the \emph{content level} representation of expressions.
488
489 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
490 to content level terms and the other way around. The first translation can also
491 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
492 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
493
494 The translation from partially specified terms to content level terms must
495 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
496 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
497 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
498 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
499 standard
500 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
501
502 The translation to content level is implemented in the
503 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
504 specified terms}, that are maximally unshared
505 partially specified terms enriched with additional typing information for each
506 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
507 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
508 content level since it is required to generate the natural language rendering
509 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
510 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
511 two different positions we need to associate different typing informations.
512 This association is made easier when the term is represented as a tree since
513 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
514 the typing information using a map on the identifiers.
515 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
516 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
517 in the library in their annotated form.
518
519 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
520 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
521 the reverse translation for expressions. The mapping from
522 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
523 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
524 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
525 every ambiguous expression one partially specified term. The
526 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
527 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
528 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
529 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
530 obtained using the interpretation is refinable.
531
532 \subsection{Presentation level terms}
533
534 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
535 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
536 is called \emph{presentation level}.
537
538 The main important difference between the content level language and the
539 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
540 the presentation level language is a finite language that comprises all
541 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
542 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
543
544 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
545 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
546 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
547 visually
548 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
549 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
550 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
551 BoxML.
552
553 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
554 translation from content level terms to presentation level terms. The
555 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
556 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
557 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
558 presentation
559 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
560 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
561 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
562 selection}.
563
564 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
565 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
566 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
567 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
568 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
569 fully specified term.
570 Once the rendering of a lower level term is
571 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
572 lower level term. An example of applications of semantic selection is
573 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
574 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
575 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
576 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
577
578 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
579 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
580 Differently from the translation from content level terms to partially
581 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
582 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
583 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
584 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
585 This means that the user must fix once and for all the associativity and
586 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
587 does not seem too strong. The reason is that the target of the
588 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
589 to every content level term several different interpretations (as a
590 partially specified term).
591
592 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
593 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
594 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
595 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
596 of commands to declare and activate new notations and it implements the
597 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
598 actions. Among the commands there are hints to the
599 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
600 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{disambiguazione}.
601
602 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
603 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
604 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
605 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
606 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
607 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
608 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
609 level, it invokes the already described parser for terms contained in
610 \texttt{content\_pres}.
611
612 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
613 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
614 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
615 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
616 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
617 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
618 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
619 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
620
621 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
622 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
623 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
624 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
625 it to the presentation level passing through the content level. Finally
626 it returns the result document to be rendered by the user's
627 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
628
629
630 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
631 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
632 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
633 services missing from the standard library of the programming language.
634 In particular, the \texttt{xml} \component{} is used
635 to easily represent, parse and pretty-print XML files.
636
637 \section{Using \MATITA}
638
639 \begin{figure}[t]
640  \begin{center}
641   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{a.eps}
642   \caption{\MATITA{} screenshot}
643   \label{fig:screenshot}
644  \end{center}
645 \end{figure}
646
647 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
648 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
649 script, on the right the list of open goal is shown using a MathML rendering
650 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
651 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
652 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
653 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
654 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
655 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
656 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
657 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
658
659 In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
660 only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
661 all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
662 visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
663 hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
664 the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
665
666 This methodological assumption has many important consequences
667 which will be discussed in the next section.
668 %on one side
669 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
670 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
671 %information; 
672 %on the other it introduces overloading in the use of 
673 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
674 %techniques for interpreting the user inputs.  
675 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
676 %points. 
677 A final section is devoted to some innovative aspects
678 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
679 content selection and copy-paste. 
680
681 \section{Library Managament}
682 \subsection{Indexing and searching}
683 \subsection{Developments}
684 \subsection{Automation}
685 \subsection{Naming}
686 \subsection{Disambiguation}
687
688 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
689 %organized in components which work on data in this format. For instance the
690 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
691 %MathML Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print  ...
692 %FINIRE
693
694
695
696
697 \section{Partially specified terms}
698 --- il mondo delle tattiche e dintorni ---
699 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
700 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
701 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
702 tattichini.\\
703
704
705
706 \subsection{Patterns}
707 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
708 selection.
709
710 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
711 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
712 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
713 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
714 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
715 script is not obvious.\\
716 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
717
718 \subsubsection{Pattern syntax}
719 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
720 $\NT{wanted}$.
721 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
722 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
723 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
724
725 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
726 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
727 \begin{table}
728  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
729 \hrule
730 \[
731 \begin{array}{@{}rcll@{}}
732   \NT{pattern} & 
733     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
734   \NT{sequent\_path} & 
735     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
736       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
737   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
738   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
739 \end{array}
740 \]
741 \hrule
742 \end{table}
743
744 \subsubsection{How patterns work}
745 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
746 selects roots (subterms) of the sequent, using the
747 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
748 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
749 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
750 conclusion.
751
752 \begin{description}
753 \item[Phase 1]
754   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
755   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
756   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
757   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
758   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
759   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
760   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
761   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
762   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
763   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
764   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
765
766   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
767   is allowed.
768   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
769   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
770   selects the whole term, is simply $\%$.
771   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
772   that respectively select the first argument of an application or
773   the source of an arrow and the head of the application that is
774   found in the arrow target.
775
776   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
777   their context that will be eventually used in the second phase.
778
779 \item[Phase 2] 
780   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
781   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
782   will see as subterm roots, and their context. For each of these
783   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
784   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
785   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
786   pattern represents.
787
788 \end{description}
789
790 \noindent
791 Since the first step is equipotent to the composition of the two
792 steps, the system uses it to represent each visual selection.
793 The second step is only meant for the
794 experienced user that writes patterns by hand, since it really
795 helps in writing concise patterns as we will see in the
796 following examples.
797
798 \subsubsection{Examples}
799 To explain how the first step works let's give an example. Consider
800 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
801 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
802 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
803 Typing
804 \begin{grafite}
805 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
806   intros (n m H).
807 \end{grafite}
808 \noindent
809 leads you to the following sequent 
810 \sequent{
811 n:nat\\
812 m:nat\\
813 H: m + n = n}{
814 m=O
815 }
816 \noindent
817 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
818 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
819 \begin{grafite}
820   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
821 \end{grafite}
822 \noindent
823 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
824 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
825 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
826 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
827 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
828 and left to the system the burden of writing down in the script file the
829 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
830 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
831 the type $nat$ in this example).
832
833 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
834 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
835 a simpler pattern that uses the second phase.
836 \begin{grafite}
837   change in match n in H with (O + n).
838 \end{grafite}
839 \noindent
840 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
841 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
842 $\alpha$-equivalence. The resulting
843 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
844 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
845
846 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
847 following one, that is less readable but uses only the first phase.
848 \begin{grafite}
849   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
850 \end{grafite}
851 \noindent
852
853 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
854 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
855 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
856 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
857
858 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
859 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
860 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
861 con una pattern\_of(select(pattern))}
862
863 \subsubsection{Comparison with Coq}
864 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
865 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
866 a term occurrence.
867
868 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
869 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
870 the second is to prepare the sequent with another tactic called
871 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
872 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
873 with pattern and do not accept directly this special syntax.
874
875 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
876 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
877 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
878 to change only the left part of the equivalence, the correct command
879 is
880 \begin{grafite}
881   change n at 2 in H with (O + n)
882 \end{grafite} 
883 \noindent
884 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
885 second we encounter proceeding from left toright.
886
887 The tactic pattern computes a
888 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
889 occurrences of the given term. In the previous example the following
890 command
891 \begin{grafite}
892   pattern n at 2 in H
893 \end{grafite}
894 \noindent
895 would have resulted in this sequent
896 \begin{grafite}
897   n : nat
898   m : nat
899   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
900   ============================
901    m = 0
902 \end{grafite}
903 \noindent
904 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
905 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
906 the head of the application (since the unification is essentially
907 first-order) but normally operate on the arguments. 
908 This works for some tactics, like rewrite and replace,
909 but for example not for change and other tactics that do not relay on
910 unification. 
911
912 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
913 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
914 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
915 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
916 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
917 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
918 only way to tell the system exactly what you want to do. 
919
920 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
921 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
922 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
923
924 \subsection{Tacticals}
925 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
926 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
927 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
928 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
929 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
930 them.
931
932 \subsubsection{Tacticals overview}
933
934 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
935 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
936 The following simple example shows three tacticals in action
937 \begin{grafite}
938 theorem trivial: 
939   \forall A,B:Prop. 
940     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
941   intros (A B H).
942   split; intro; 
943     [ rewrite < H. assumption.
944     | rewrite > H. assumption.
945     ]
946 qed.
947 \end{grafite}
948
949 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
950 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
951 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
952 we have two goals, the two sides of the logic and).
953 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
954 is proved by the first sequence of tactics
955 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
956 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
957 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
958 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
959 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
960 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
961 delimiter of commands the proof assistant executes).
962
963 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
964 to read without the interactive tool. To help the reader in
965 understanding the following considerations we just give few common
966 usage examples without a proof context.
967
968 \begin{grafite}
969   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
970   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
971 \end{grafite}
972
973 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
974 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
975 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
976 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
977 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
978 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
979 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
980 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
981
982 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
983 compositions of tacticals and in particular they are a single
984 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
985 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
986 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
987 a single statement.
988
989 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
990 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
991 maintainability and readability. 
992
993 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
994 compatibility is a really time consuming task. \\
995 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
996 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
997 were not opening goals in the expected order. In particular the
998 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
999 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1000 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1001 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1002 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1003 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1004 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1005 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1006 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1007 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1008 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1009 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1010 have been done automatically. 
1011
1012 From this experience we learned that the use of tacticals for
1013 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1014 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1015 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1016 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1017 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1018 for two different theorems to have the same proof script (while the
1019 proof is completely different).\\
1020 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1021 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1022 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1023 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1024 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1025 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1026 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1027 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1028 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1029 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1030 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1031 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1032 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1033
1034 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1035 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1036 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1037 they are executed.
1038
1039 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1040 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1041 making it impossible to read them again.
1042
1043 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1044
1045 \begin{table}
1046  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1047 \hrule
1048 \[
1049 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1050   \NT{punctuation} & 
1051     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1052   \NT{block\_kind} & 
1053     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1054   \NT{block\_delimiter} & 
1055     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1056   \NT{tactical} & 
1057     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1058 \end{array}
1059 \]
1060 \hrule
1061 \end{table}
1062
1063 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1064 While one would expect to find structured constructs like 
1065 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1066 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
1067
1068 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1069 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1070 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1071 even being a so simple idea:
1072 \begin{description}
1073 \item[Proof structuring] 
1074   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1075   are using classical tacticals in one of the state of the
1076   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
1077   After applying the induction principle you have to choose: structure
1078   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1079   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1080   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1081   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1082   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1083   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1084   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1085   the already executed script you have to undo one step.
1086   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1087   the proof and write a plain list of tactics.\\
1088   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1089   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1090   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1091   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1092   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1093   structured proof. \\
1094   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1095   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1096   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1097   
1098 \item[Rereading]
1099   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1100   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1101   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1102   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1103   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1104   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1105   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1106   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1107   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1108   goal) gives you the feeling of what is going on.
1109 \end{description}
1110
1111 \section{Content level terms}
1112
1113 \subsection{Disambiguation}
1114
1115 Software applications that involve input of mathematical content should strive
1116 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
1117 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
1118 Being that drift in general very large when inputing
1119 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
1120 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
1121 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
1122 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
1123 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
1124
1125 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
1126 implemented in the \texttt{disambiguation} library of Fig.~\ref{fig:libraries}
1127 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
1128 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
1129 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
1130 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
1131 expressiveness.
1132
1133 \subsubsection{Disambiguation aliases}
1134
1135 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
1136 (Peano) natural numbers.
1137
1138 \begin{grafite}
1139 include "nat/nat.ma".
1140 ..
1141 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
1142   \lambda n, m. m < n.
1143 \end{grafite}
1144
1145 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
1146 defining the notion of natural numbers should be defined before
1147 processing the following definition. Note indeed that the algorithm presented
1148 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
1149 expressions come from, since it is application-specific. As a first
1150 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
1151 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
1152 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
1153 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
1154
1155 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
1156 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
1157 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
1158 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
1159 both type and body are easily disambiguated.
1160
1161 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
1162 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
1163 course overload the \OP{<} operator):
1164
1165 \begin{grafite}
1166 include "Z/z.ma".
1167 ..
1168 theorem Zlt_compat:
1169   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1170 \end{grafite}
1171
1172 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
1173 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
1174 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
1175 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
1176 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
1177 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
1178 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
1179 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
1180 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
1181 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
1182
1183 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
1184 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
1185 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
1186 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
1187 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
1188 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
1189 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
1190 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
1191 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
1192 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
1193 choosed):
1194
1195 \begin{grafite}
1196 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
1197 theorem Zlt_compat:
1198   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1199 \end{grafite}
1200
1201 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
1202 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
1203 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
1204 Consider for example:
1205
1206 \begin{grafite}
1207 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
1208 \end{grafite}
1209
1210 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1211 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1212 refinable partially specified term matching the term could be found.
1213
1214 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1215 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1216 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1217 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1218 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1219 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1220 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1221 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1222 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1223 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1224 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1225
1226 \subsubsection{Operator instances}
1227
1228 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1229 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1230 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1231
1232 \begin{grafite}
1233 include "Z/z.ma".
1234 include "nat/orders.ma".
1235 ..
1236 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1237   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1238 \end{grafite}
1239
1240 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1241 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1242 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1243 different interpretation for it have to be used in order to obtain a refinable
1244 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1245 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1246 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1247 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1248 \emph{fresh instances}.
1249
1250 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1251 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1252 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1253 attempting a non-fresh one.
1254
1255 \subsubsection{Implicit coercions}
1256
1257 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1258
1259 \begin{grafite}
1260 theorem power_deriv:
1261   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1262 \end{grafite}
1263
1264 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1265 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1266 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1267 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1268 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1269 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1270 level term, it will return a partially specified term where in place of
1271 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1272 (assuming it has been defined as such of course).
1273
1274 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1275 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1276 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1277 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1278 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1279 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1280 coercion-enabled pass.
1281
1282 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1283 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1284 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1285 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1286 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1287 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1288 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1289 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1290 prefer fresh instances over implicit coercion, i.e. we always attempt
1291 disambiguation passes with fresh instances before attempting passes with
1292 implicit coercions.
1293
1294 \subsubsection{Disambiguation passes}
1295
1296 \TODO{spiegazione della tabella}
1297
1298 \begin{center}
1299  \begin{tabular}{c|c|c|c}
1300   \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1301   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1302   & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1303   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1304   \hline
1305   \PASS & Normal & Mono & Disabled \\
1306   \PASS & Normal & Multi & Disabled \\
1307   \PASS & Fresh & Mono & Disabled \\
1308   \PASS & Fresh & Multi & Disabled \\
1309   \PASS & Fresh & Mono & Enabled \\
1310   \PASS & Fresh & Multi & Enabled \\
1311   \PASS & Fresh & Library & Enabled
1312  \end{tabular}
1313 \end{center}
1314
1315 \TODO{alias one shot}
1316
1317 \section{The logical library}
1318 Matita is Coq compatible, in the sense that every theorem of Coq
1319 can be read, checked and referenced in further developments. 
1320 However, in order to test the actual usability of the system, a
1321 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1322 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1323 while, in the case of Coq, Matita may only rely on XML files of
1324 Coq objects. 
1325 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1326 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1327 Eulers' totient function $\phi$.
1328 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1329 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1330 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1331 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1332 in Figure\ref{scripts}
1333 \begin{figure}[htb]
1334 $\begin{array}{lll}
1335 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1336 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1337 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1338 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1339 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1340 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1341 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1342 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1343 totient.ma& & \\
1344 \end{array}$
1345 \caption{\label{scripts}Matita scripts on natural numbers}
1346 \end{figure}
1347
1348 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1349 as most of the systems do. On the contary we are currently
1350 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1351 development of the library, encouraging people to expand, 
1352 modify and elaborate previous contributions.
1353
1354 \subsection{Matita's naming convention}
1355 A minor but not entirely negligible aspect of Matita is that of
1356 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
1357 our studies about metadata for statements. 
1358 The convention is only applied to identifiers for theorems 
1359 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
1360 The basic rules are the following:
1361 \begin{itemize}
1362 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
1363 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
1364 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
1365 separated by an underscore,
1366 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
1367 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
1368 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
1369 single or duoble apostrophe.
1370
1371 \end{itemize}
1372 Take for instance the theorem
1373 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
1374 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
1375 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
1376 Similarly, consider the theorem 
1377 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
1378 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
1379 while \verb+lt_le+ is not.\\
1380 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
1381 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
1382 The correct approach, 
1383 in this case, is the following. You should start with defining the 
1384 symmetric property for relations
1385
1386 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
1387
1388 Then, you may state the symmetry of equality as
1389 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
1390 and \verb+symmetric_eq+ is valid Matita name for such a theorem. 
1391 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
1392 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
1393 forcing the user to define abstract notions and properties before 
1394 using them (and formalizing such use).
1395
1396 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
1397 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
1398 theorems of the shape
1399 $\forall P,\dots.P(t)$.
1400 In this case you may replace the conclusion with the word
1401 ``elim'' or ``case''.
1402 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
1403 induction principle.
1404
1405 The other special case is that of statements whose conclusion is a
1406 match expression. 
1407 A typical example is the following
1408 \begin{verbatim}
1409   \forall n,m:nat. 
1410       match (eqb n m) with
1411         [ true  \Rightarrow n = m 
1412         | false \Rightarrow n \neq m]
1413 \end{verbatim}
1414 where $eqb$ is boolean equality.
1415 In this cases, the name can be build starting from the matched
1416 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
1417 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
1418
1419
1420 \section{Conclusions}
1421
1422 \acknowledgements
1423 We would like to thank all the students that during the past
1424 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1425 the development of Matita, and in particular
1426 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1427 and V.~Tamburrelli.
1428
1429 \theendnotes
1430
1431 \bibliography{matita}
1432
1433 \end{document}
1434