]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
192117af50dd9c14139cddad54e7adf7c11301a4
[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{\BOXML}{BoxML}
21 \newcommand{\COQ}{Coq}
22 \newcommand{\COQIDE}{CoqIde}
23 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
24 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
25 \newcommand{\GTKMATHVIEW}{\textsc{GtkMathView}}
26 \newcommand{\HELM}{Helm}
27 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
28 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
29 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
30 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
31 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
32 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
33 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
34 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
35 \newcommand{\MATHML}{MathML}
36 \newcommand{\MATITA}{Matita}
37 \newcommand{\MATITAC}{\texttt{matitac}}
38 \newcommand{\MATITADEP}{\texttt{matitadep}}
39 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
40 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
41 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
42 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
43 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
44 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
45 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
46 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
47 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
48 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
49 \newcommand{\GETTER}{Getter}
50 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
51 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
52 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
53 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
54 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
55 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
56 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
57 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
58 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
59 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
60 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
61
62 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
63 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
64 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
65 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
66
67 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
68  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
69  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
70   \begin{center}
71    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
72   \end{center}}
73
74 \newcounter{example}
75 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
76  {}
77 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
78 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
79 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{}}
80 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
81
82 \newcounter{pass}
83 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
84
85 \newsavebox{\tmpxyz}
86 \newcommand{\sequent}[2]{
87   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
88     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
89       \ensuremath{#1} \\
90       \rule{3cm}{0.03cm}\\
91       \ensuremath{#2}
92     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
93   \begin{center}
94    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
95   \end{center}}
96
97 \bibliographystyle{plain}
98
99 \begin{document}
100
101 \begin{opening}
102
103  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
104
105 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
106 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
107 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
108 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
109 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
110  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
111
112 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
113 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
114
115 % \date{data}
116
117 \begin{motto}
118 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
119 \end{motto}
120
121 \begin{abstract}
122  abstract qui
123 \end{abstract}
124
125 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
126 Digital Libraries}
127
128 \end{opening}
129
130 \tableofcontents
131
132 \section{Introduction}
133 \label{sec:intro}
134 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
135 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
136 Prof.~Asperti. \\
137 The paper describes the overall architecture of
138 the system, focusing on its most distintive and innovative 
139 features.
140
141 \subsection{Historical Perspective}
142 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
143 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
144 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
145 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
146 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
147 have been also conducted with other systems, and notably 
148 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
149 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
150 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
151 following steps:
152 \begin{itemize}
153 \item exporting the information from the internal representation of
154  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
155 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
156 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
157 of the library were the the main components around which everything else 
158 has to be build;
159 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
160  queries to the library; 
161 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
162 %search engine, described in~\cite{whelp};
163 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
164 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
165 active in the \MATHML{} Working group since 1999.}; 
166 %and developed inside
167 %\HELM{} a \MATHML-compliant widget for the GTK graphical environment
168 %which can be integrated in any application.
169 \end{itemize}
170
171 According to our content-centric commitment, the library exported from
172 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
173 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
174 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
175
176 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
177 to a set of software components, collectively called the \HELM{} components.
178 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
179 tools and software components:
180 \begin{itemize}
181 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
182 with components for parsing and saving mathematical objects in such a format
183 \cite{exportation-module};
184 \item metadata specifications with components for indexing and querying the
185 XML knowledge base;
186 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
187 implemented to check that we exported from the \COQ{} library all the 
188 logically relevant content;
189 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
190 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
191 mathematical notation \cite{disambiguation};
192 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
193 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
194 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
195 language \cite{remathematization};
196 \item an innovative, \MATHML-compliant rendering widget for the GTK 
197 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
198 high-quality bidimensional
199 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
200 meaningful rendering expressions, and to paste the respective content into
201 a different text area.
202 \end{itemize}
203 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
204 too far away: essentially, we ``just'' had to
205 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
206 overall management of the library, integrating everything into a
207 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
208
209 \subsection{The system}
210
211 \MATITA{} is a proof assistant (also called interactive theorem prover).
212 It is based on the Calculus of (Co)Inductive Constructions (CIC) that
213 is a dependently typed lambda-calculus \`a la Church enriched with primitive
214 inductive and co-indutive data types. Via the Curry-Howard isomorphism, the
215 calculus can be seen as a very rich higher order logic and proofs can be
216 simply represented and stored as lambda-terms. Coq and Lego are other systems
217 that adopt (variations of) CIC as their foundation.
218
219 The proof language of \MATITA{} is procedural, in the tradition of the LCF
220 theorem prover. Coq, NuPRL, PVS, Isabelle are all examples of others systems
221 whose proof language is procedural. Traditionally, in a procedural system
222 the user interacts only with the \emph{script}, while proof terms are internal
223 records kept by the system. On the contrary, in \MATITA{} proof terms are
224 praised as declarative versions of the proof. With this role, they are the
225 primary mean of communication of proofs (once rendered to natural language
226 for human audiences).
227
228 The user interfaces now adopted by all the proof assistants that adopt a
229 procedural proof language have been inspired by the CtCoq pioneering
230 system~\cite{ctcoq}. One succesfull incarnation of the ideas introduced
231 by CtCoq is the Proof General generic interface, that has set a sort of
232 standard way to interact with the system. Several procedural proof assistants
233 have either adopted or cloned Proof General as their main user interface.
234 \MATITA{} has also cloned the Proof General interface,
235
236 \begin{itemize}
237  \item scelta del sistema fondazionale
238  \item sistema indipendente (da \COQ)
239  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
240 \end{itemize}
241
242 \subsection{Relationship with \COQ{}}
243
244 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
245 more the effect of the circumstances of its creation described 
246 above than the result of a deliberate design. In particular, we
247 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
248 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
249 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
250 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
251 two systems.
252
253 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
254 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
255 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
256 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
257 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
258 we could furtherly reduce our code in sensible way).
259
260 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
261 respect to \COQ. For instance, the API of the components of \MATITA{} comprise
262 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
263
264 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
265 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
266 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
267 the parser for ambiguous mathematical notation.
268
269 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
270 historically. \COQ{} is a quite old
271 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
272 several developers have took over the code and several new research ideas
273 that were not considered in the original architecture have been experimented
274 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
275 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
276 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
277 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
278 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
279 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
280 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
281 of the code.
282
283 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
284 we have took advantage of the research results and experiences previously
285 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
286 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
287 the code in coherent minimally coupled components.
288
289 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
290 extensions. Keeping the single components and the whole architecture as
291 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
292 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
293
294 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
295 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
296 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
297
298 \section{Architecture}
299 \label{architettura}
300
301 \begin{figure}[!ht]
302  \begin{center}
303   \includegraphics[width=0.9\textwidth,height=0.8\textheight]{libraries-clusters}
304   \caption{\MATITA{} components}
305   \label{fig:libraries}
306  \end{center}
307 \end{figure}
308
309 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
310 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
311 project.
312
313 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
314 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
315 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
316
317 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
318 at different scales. Applications that require only a few functionalities
319 depend on a restricted set of \components{}.
320
321 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
322 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
323 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
324 elsewhere. In particular:
325 \begin{itemize}
326  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
327    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
328    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
329    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
330    distributed on the network. More information on the Getter can be found
331    in~\cite{zack-master}.
332  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
333    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
334    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
335    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
336    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
337    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
338    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
339    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
340    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
341    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
342  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
343    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
344    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
345    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
346    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
347    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
348  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
349    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
350    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
351    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
352    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
353    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
354  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
355    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
356    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
357 \end{itemize}
358
359 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
360 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
361 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
362 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
363 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
364 is just a wrapper to the \GETTER \component{} that allows the
365 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
366 of the \GETTER \component, or it can use a stub library with the same
367 API that forwards every request to the Getter.
368
369 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
370 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
371 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
372 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
373 formulae, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
374 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
375 a different set of functionalities. The four different levels are:
376 fully specified terms; partially specified terms; 
377 content level terms; presentation level terms.
378
379 \subsection{Fully specified terms}
380 \label{fully-spec}
381  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
382    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
383    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
384    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
385    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
386    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
387    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
388    consumption.
389
390    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
391    and provides a parser for terms stored in an XML format.
392
393    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
394    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
395    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
396    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
397    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
398
399    Terms may reference other mathematical notions in the library.
400    One commitment of our project is that the library should be physically
401    distributed. The \GETTER \component{} manages the distribution,
402    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
403    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
404    data type and several utility functions over URIs. The
405    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER
406    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
407    notion referenced by a term that is being type-checked. 
408
409    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
410    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
411
412    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
413    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
414    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
415    mathematical formula. Thus we need to collect metadata over the fully
416    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
417    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
418    a simplified
419    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
420    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
421    metadata
422    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
423    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
424    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
425    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
426    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
427    (that will be described later on and that is implemented in the
428     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
429    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
430    candidates. The process that has issued the query is responsible of
431    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
432    out false matches if interested in doing so.
433
434    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
435    the \texttt{whelp} \component.
436
437    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
438    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
439    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
440    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
441    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
442    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
443    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
444    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
445    
446 \subsection{Partially specified terms}
447 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
448 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
449 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
450 linearly. The latters may occur multiple times and are called
451 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
452 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
453 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
454 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
455 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
456 value for the variable bound by the hypothesis.
457
458 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
459 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
460 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
461 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
462 partially specified term well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
463 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
464 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
465 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
466 as few as possible metavariables that occur in them.
467
468 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
469 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
470 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
471 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
472 prove.
473
474 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
475 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
476 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
477 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
478 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
479
480 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
481 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
482 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
483 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
484 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
485 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
486 previous statuses.
487
488 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
489 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
490 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
491 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
492 information that can be inferred by the refiner.
493
494 \subsection{Content level terms}
495 \label{sec:contentintro}
496
497 The language used to communicate proofs and expecially formulae with the
498 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
499 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
500 ambiguity that the mathematical language provides.
501
502 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
503 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
504 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
505 or for their computational properties. For instance equality over real
506 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
507 rational numbers.
508
509 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
510 properties without caring about their representation. However the computational
511 properties of addition over the binary representation are very different from
512 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
513 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
514
515 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
516 very precise on the types he is using and their representation. However,
517 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
518 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
519 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
520 the \emph{content level} representation of formulae.
521
522 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
523 to content level terms and the other way around. The first translation can also
524 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
525 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
526
527 The translation from partially specified terms to content level terms must
528 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
529 formulae. The firsts are translated to a content level representation of
530 proof steps that can easily be rendered in natural language. The representation
531 adopted has greatly influenced the OMDoc~\cite{omdoc} proof format that is now
532 isomorphic to it. Terms that represent formulae are translated to \MATHML{}
533 Content formulae. \MATHML{} Content~\cite{mathml} is a W3C standard
534 for the representation of content level formulae in an XML extensible format.
535
536 The translation to content level is implemented in the
537 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
538 specified terms}, that are maximally unshared
539 partially specified terms enriched with additional typing information for each
540 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
541 proofs and terms that represent formulae. Part of it is also stored at the
542 content level since it is required to generate the natural language rendering
543 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
544 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
545 two different positions we need to associate different typing informations.
546 This association is made easier when the term is represented as a tree since
547 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
548 the typing information using a map on the identifiers.
549 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
550 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
551 in the library in their annotated form.
552
553 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
554 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
555 the reverse translation for formulae. The mapping from
556 content level formulae to partially specified terms is not unique due to
557 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
558 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
559 every ambiguous formula one partially specified term. The
560 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
561 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
562 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
563 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
564 obtained using the interpretation is refinable.
565
566 In the last section we have described the semantics of a command as a
567 function from status to status. We also suggested that the formulae in a
568 command are encoded as partially specified terms. However, consider the
569 command ``\texttt{replace} $x$ \texttt{with} $y^2$''. Until the occurrence
570 of $x$ to be replaced is located, its context is unknown. Since $y^2$ must
571 replace $x$ in that context, its encoding as a term cannot be computed
572 until $x$ is located. In other words, $y^2$ must be disambiguated in the
573 context of the occurrence $x$ it must replace.
574
575 The elegant solution we have implemented consists in representing terms
576 in a command as function from a context to a partially refined term. The
577 function is obtained by partially applying our disambiguation function to
578 the content term to be disambiguated. Our solution should be compared with
579 the one adopted in the Coq system (where ambiguity is only relative to
580 DeBrujin indexes). In Coq variables can be bound either by name or by
581 position. This makes more complex every operation over terms (i.e. according
582 to our architecture every module that depends on \texttt{cic}). Moreover,
583 this solution cannot cope with other forms of ambiguity (as the meaning
584 of the $~^2$ exponent in the previous example that depends on the context).
585
586 \subsection{Presentation level terms}
587
588 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
589 formulae and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
590 is called \emph{presentation level}.
591
592 The main important difference between the content level language and the
593 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
594 the presentation level language is a finite language that comprises all
595 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
596 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
597
598 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
599 standard languages. In particular, for formulae we have adopt \MATHML{}
600 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
601 visually
602 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
603 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
604 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
605 \BOXML.
606
607 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
608 translation from content level terms to presentation level terms. The
609 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
610 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
611 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} \MATHML+\BOXML{} tree from our
612 presentation
613 level terms. \GDOME{} \MATHML+\BOXML{} trees can be rendered by the
614 \GTKMATHVIEW{}
615 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
616 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
617 selection}.
618
619 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
620 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
621 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
622 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
623 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
624 fully specified term.
625 Once the rendering of a lower level term is
626 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
627 lower level term. An example of applications of semantic selection is
628 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
629 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
630 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
631 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
632
633 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
634 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
635 Differently from the translation from content level terms to partially
636 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
637 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
638 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
639 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
640 This means that the user must fix once and for all the associativity and
641 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
642 does not seem too strong. The reason is that the target of the
643 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
644 to every content level term several different interpretations (as a
645 partially specified term).
646
647 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
648 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
649 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
650 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
651 of commands to declare and activate new notations and it implements the
652 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
653 actions. Among the commands there are hints to the
654 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
655 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
656
657 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
658 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
659 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
660 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
661 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
662 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
663 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
664 level, it invokes the already described parser for terms contained in
665 \texttt{content\_pres}.
666
667 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
668 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
669 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
670 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
671 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
672 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
673 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
674 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
675
676 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
677 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
678 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
679 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
680 it to the presentation level passing through the content level. Finally
681 it returns the result document to be rendered by the user's
682 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
683
684
685 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
686 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
687 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
688 services missing from the standard library of the programming language.
689 %In particular, the \texttt{xml} \component{} is used to easily represent,
690 %parse and pretty-print XML files.
691
692
693 \section{The interface to the library}
694
695 A proof assistant provides both an interface to interact with its library and
696 an \emph{authoring} interface to develop new proofs and theories. According
697 to its historical origins, \MATITA{} strives to provide innovative
698 functionalities for the interaction with the library. It is more traditional
699 in its script based authoring interface.
700
701 In the remaining part of the paper we focus on the user view of \MATITA{}.
702 This section is devoted to the aspects of the tool that arise from the
703 document centric approach to the library. Sect.~\ref{sec:authoring} describes
704 the peculiarities of the authoring interface.
705
706 The library of \MATITA{} comprises mathematical concepts (theorems,
707 axioms, definitions) and notation. The concepts are authored sequentially
708 using scripts that are (ordered) sequences of procedural commands.
709 However, once they are produced we store them independently in the library.
710 The only relation implicitly kept between the notions are the logical,
711 acyclic dependencies among them. This way the library forms a global (and
712 distributed) hypertext. Several useful operations can be implemented on the
713 library only, regardless of the scripts. Examples of such operations
714 implemented in \MATITA{} are: searching and browing (see Sect.~\ref{sec:indexing});
715 disambiguation of content level terms (see Sect.~\ref{sec:disambiguation});
716 automatic proof searching (see Sect.~\ref{sec:automation}).
717
718 A requisite for the previous operations is that the library must
719 be fully accessible and in a logically consistent state. To preserve
720 consistency, a concept cannot be altered or removed unless the part of the
721 library that depends on it is modified accordingly. To allow incremental
722 changes and cooperative development, consistent revisions are necessary.
723 For instance, to modify a definition, the user could fork a new version
724 of the library where the definition is updated and all the concepts that
725 used to rely on it are absent. The user is then responsible to restore
726 the removed part in the new branch, merging the branch when the library is
727 fully restored.
728
729 To implement the proposed versioning system on top of a standard one
730 it is necessary to implement \emph{invalidation} first. Invalidation
731 is the operation that locates and removes from the library all the concepts
732 that depend on a given one. As described in Sect.~\ref{sec:libmanagement} removing
733 a concept from the library also involves deleting its metadata from the
734 database.
735
736 For non collaborative development, full versioning can be avoided, but
737 invalidation is still required. Since nobody else is relying on your
738 development, you are free to change and invalidate part of the library
739 without branching. Invalidation is still necessary to avoid using a
740 concept that is no longer valid.
741 So far, in \MATITA{} we address only this non collaborative scenario
742 (see Sect.~\ref{sec:libmanagement}). Collaborative development and versioning
743 is still under design.
744
745 Scripts are not seen as constituents of the library. They are not published
746 and indexed, so they cannot be searched or browsed using \HELM{} tools.
747 However, they play a central role for the mainteinance of the library.
748 Indeed, once a notion is invalidated, the only way to restore it is to
749 fix the possibly broken script that used to generate it.
750 Moreover, during the authoring phase, scripts are a natural way to
751 group notions together. They also constitute a less fine grained clustering
752 of notions for invalidation.
753
754 In the following sections we present in more details the functionalities
755 of \MATITA{} related to library management and exploitation.
756
757
758
759 \subsection{Indexing and searching}
760 \label{sec:indexing}
761
762 \subsection{Disambiguation}
763 \label{sec:disambiguation}
764
765 Software applications that involve input of mathematical content should strive
766 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
767 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
768 Being that drift in general very large when inputing
769 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
770 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
771 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
772 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
773 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
774
775 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
776 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
777 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
778 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
779 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
780 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
781 expressiveness.
782
783 \subsubsection{Disambiguation aliases}
784 \label{sec:disambaliases}
785 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
786 (Peano) natural numbers.
787
788 \begin{grafite}
789 include "nat/nat.ma".
790 ..
791 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
792   \lambda n, m. m < n.
793 \end{grafite}
794
795 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
796 defining the notion of natural numbers should be defined before
797 processing the what follows. Note indeed that the algorithm presented
798 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
799 expressions come from, since it is application-specific. As a first
800 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
801 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
802 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
803 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
804
805 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
806 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
807 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
808 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
809 both type and body are easily disambiguated.
810
811 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
812 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
813 course overload the \OP{<} operator):
814
815 \begin{grafite}
816 include "Z/z.ma".
817 ..
818 theorem Zlt_compat:
819   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
820 \end{grafite}
821
822 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
823 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
824 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
825 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
826 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
827 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
828 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
829 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
830 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
831 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
832
833 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
834 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
835 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
836 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
837 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
838 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
839 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
840 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
841 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
842 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
843 choosed):
844
845 \begin{grafite}
846 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
847 theorem Zlt_compat:
848   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
849 \end{grafite}
850
851 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
852 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
853 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
854 Consider for example:
855
856 \begin{grafite}
857 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
858 \end{grafite}
859
860 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
861 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
862 refinable partially specified term matching the term could be found.
863
864 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
865 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
866 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
867 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
868 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
869 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
870 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
871 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
872 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
873 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
874 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
875
876 \subsubsection{Operator instances}
877
878 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
879 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
880 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
881
882 \begin{grafite}
883 include "Z/z.ma".
884 include "nat/orders.ma".
885 ..
886 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
887   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
888 \end{grafite}
889
890 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
891 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
892 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
893 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
894 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
895 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
896 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
897 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
898 \emph{fresh instances}.
899
900 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
901 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
902 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
903 attempting a non-fresh one.
904
905 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
906 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
907 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
908 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
909 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
910 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
911 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
912 aliases} and \MATITA{} doesn't use it to disambiguate further terms down in the
913 script.
914
915 \subsubsection{Implicit coercions}
916
917 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
918
919 \begin{grafite}
920 theorem power_deriv:
921   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
922 \end{grafite}
923
924 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
925 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
926 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
927 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
928 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
929 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
930 level term, it will return a partially specified term where in place of
931 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
932 (assuming it has been defined as such of course).
933
934 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
935 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
936 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
937 among the possible partially specified term choices. For this reason in
938 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
939 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
940 coercion-enabled pass.
941
942 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
943 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
944 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
945 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
946 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
947 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
948 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
949 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
950 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
951 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
952 attempting passes with implicit coercions.
953
954 \subsubsection{Disambiguation passes}
955
956 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
957 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}.  In
958 our experience that choice implements a good trade off among disambiguation time
959 and admitted ambiguity in terms input by users.
960
961 \begin{table}[ht]
962  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
963  \label{tab:disambpasses} 
964  \begin{center}
965   \begin{tabular}{c|c|c|c}
966    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
967    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
968    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
969    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
970    \hline
971    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
972    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
973    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
974    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
975    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
976    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
977    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
978   \end{tabular}
979  \end{center}
980 \end{table}
981
982
983
984 \subsection{Compilation and cleaning}
985 \label{sec:libmanagement}
986
987 %
988 %goals: consentire sviluppo di una librearia mantenendo integrita' referenziale e usando le teconologie nostre (quindi con metadati, XML, libreria visibile)
989 %\subsubsection{Composition}
990 %scripts.ma, .moo, XML, metadata
991 %\subsubsection{Compilation}
992 %analogie con compilazione classica dso.\\
993 %granularita' differenti per uso interattivo e non
994 %\paragraph{Batch}
995 %- granularita' .ma/buri \\
996 %-- motivazioni\\
997 %- come si calcolano le dipendenze\\
998 %- quando la si usa\\
999 %- metodi (cc e clean)\\
1000 %- garanzie
1001 %\paragraph{Interactive}
1002 %- granularita' fine\\
1003 %-- motivazioni
1004 %\label{sec:libmanagement}
1005 %consistenza: integrita' referenziale
1006 %Goals: mantenere consistente la rappresentazione della libreria su
1007 %memoria persistente consentendo di compilare e pulire le compilation
1008 %unit (.ma).\\
1009 %Vincoli: dipendenze oggetti-oggetti e metadati-oggetti\\
1010 %Due livelli di gestione libreria, uno e' solo in fase interattiva dove la compilazione e' passo passo: \\
1011 %--- granularita' oggetto per matita interactive\\
1012 %--- granularita' baseuri (compilation unit) per la libreria\\
1013 %In entrmbi i casi ora:\\
1014 %--- matitaSync: add, remove, timetravel(facility-macro tra 2 stati)[obj]\\
1015 %--- matitaCleanLib: clean\_baseuri (che poi usa matitaSync a sua volta)[comp1]\\
1016 %Vincoli di add: typecheck ( ==$>$ tutto quello che usa sta in lib)\\
1017 %Vincoli di remove: \\
1018 %--- la remove di mSync non li controlla (ma sa cosa cancellare per ogni uri)\\
1019 %--- la clean\_baseuri calcola le dipendenze con i metadati (o anche i moo direi) e li rispetta\\
1020 %Undo di matita garantisce la consistenza a patto che l'history che tiene sia ok\\
1021 %Undo della lib (mClean) garantisce la consistenza (usando moo o Db).\\
1022
1023 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
1024 preserves the consistency and the availability of the library
1025 using the \WHELP{} technology, in response to the user addition or 
1026 removal of mathematical objects.
1027
1028 As already sketched in \ref{fully-spec} the output of the
1029 compilation of a script is split among two storage media, a
1030 classical filesystem and a relational database. The former is used to
1031 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
1032 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
1033 while the latter is used to store all the metadata needed by
1034 \WHELP{}.
1035
1036 While the consistency of the data store in the two media has
1037 nothing to do with the nature of
1038 the content of the library and is thus uninteresting (but really
1039 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
1040 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
1041 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
1042 already proved theorems). 
1043
1044 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
1045 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
1046 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
1047 without loosing the feeling of an always visible and browsable
1048 library.
1049
1050 \subsubsection{Compilation}
1051
1052 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
1053 it depends only on well typed objects available in the library,
1054 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
1055 the library is preserved. We have only to find the right order of
1056 compilation of the scripts that compose the user development.
1057
1058 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
1059 that takes in input the list of files that compose the development and
1060 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
1061 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
1062 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
1063 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
1064 related tasks, including dependencies calculation.
1065 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
1066 inclusions of other parts of the development or for explicit
1067 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
1068 \ref{sec:disambaliases}). 
1069
1070 The output of the compilation is immediately available to the user
1071 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
1072 user-specific area of the database where the search engine has read
1073 access, and all the automated tactics that operates on the whole
1074 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
1075
1076 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
1077 to compile again the same script, maybe after the removal of a
1078 theorem. Here the policy is simple: clean the output before recompiling.
1079 As we will see in the next section cleaning will ensure that
1080 there will be no theorems in the development that depends on the
1081 removed items.
1082
1083 \subsubsection{Cleaning}
1084
1085 With the term ``cleaning'' we mean the process of removing all the
1086 results of an object compilation. In order to keep the consistency of
1087 the library, cleaning an object requires the (recursive) cleaning
1088 of all the objects that depend on it (\emph{reverse dependencies}).
1089
1090 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
1091 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
1092 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
1093 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
1094 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
1095 database.
1096
1097 The latter is a fall-back in case the database is not
1098 available.\footnote{Due to the complex deployment of a large piece of
1099 software like a database, it is a common practice for the \HELM{} team
1100 to use a shared remote database, that may be unavailable if the user
1101 workstation lacks network connectivity.} This facility has to be
1102 intended only as a fall-back, since the queries of the \WHELP{}
1103 technology depend require a working database.
1104
1105 Cleaning guarantees that if an object is removed there are no dandling
1106 references to it, and that the part of the library still compiled is
1107 consistent. Since cleaning involves the removal of all the results of
1108 the compilation, metadata included, the library browsable trough the
1109 \WHELP{} technology is always kept up to date.
1110
1111 \subsubsection{Batch vs Interactive}
1112
1113 \MATITA{} includes an interactive graphical interface and a batch
1114 compiler (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
1115 user, the latter is automatically invoked when a
1116 part of the user development is required (for example issuing an
1117 \texttt{include} command) but not yet compiled.
1118
1119 While they share the same engine for compilation and cleaning, they
1120 provide different granularity. The batch compiler is only able to
1121 compile a whole script and similarly to clean only a whole script
1122 (together with all the other scripts that rely on an object defined in
1123 it). The interactive interface is able to execute single steps of
1124 compilation, that may include the definition of an object, and
1125 similarly to undo single steps. Note that in the latter case there is
1126 no risk of introducing dangling references since the \MATITA{} user
1127 interface inhibit undoing a step which is not the last executed.
1128
1129 \subsection{Automation}
1130 \label{sec:automation}
1131
1132 \subsection{Naming convention}
1133 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
1134 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
1135 our studies about metadata for statements. 
1136 The convention is only applied to identifiers for theorems 
1137 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
1138 The basic rules are the following:
1139 \begin{itemize}
1140 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
1141 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
1142 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
1143 separated by an underscore,
1144 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
1145 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
1146 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
1147 single or duoble apostrophe.
1148
1149 \end{itemize}
1150 Take for instance the theorem
1151 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
1152 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
1153 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
1154 Similarly, consider the theorem 
1155 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
1156 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
1157 while \verb+lt_le+ is not.\\
1158 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
1159 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
1160 The correct approach, 
1161 in this case, is the following. You should start with defining the 
1162 symmetric property for relations
1163
1164 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
1165
1166 Then, you may state the symmetry of equality as
1167 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
1168 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
1169 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
1170 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
1171 forcing the user to define abstract notions and properties before 
1172 using them (and formalizing such use).
1173
1174 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
1175 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
1176 theorems of the shape
1177 $\forall P,\dots.P(t)$.
1178 In this case you may replace the conclusion with the word
1179 ``elim'' or ``case''.
1180 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
1181 induction principle.
1182
1183 The other special case is that of statements whose conclusion is a
1184 match expression. 
1185 A typical example is the following
1186 \begin{verbatim}
1187   \forall n,m:nat. 
1188       match (eqb n m) with
1189         [ true  \Rightarrow n = m 
1190         | false \Rightarrow n \neq m]
1191 \end{verbatim}
1192 where $eqb$ is boolean equality.
1193 In this cases, the name can be build starting from the matched
1194 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
1195 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
1196
1197 \section{The authoring interface}
1198 \label{sec:authoring}
1199
1200 \begin{figure}[t]
1201  \begin{center}
1202   \includegraphics[width=0.95\textwidth]{matita-screenshot}
1203   \caption{\MATITA{} look and feel}
1204   \label{fig:screenshot}
1205  \end{center}
1206 \end{figure}
1207
1208 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
1209 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
1210 script, on the right the list of open goal is shown using a \MATHML{} rendering
1211 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
1212 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
1213 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
1214 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
1215 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
1216 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
1217 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
1218 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
1219
1220 %In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
1221 %only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
1222 %all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
1223 %visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
1224 %hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
1225 %the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
1226
1227 %This methodological assumption has many important consequences
1228 %which will be discussed in the next section.
1229
1230 %on one side
1231 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
1232 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
1233 %information; 
1234 %on the other it introduces overloading in the use of 
1235 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
1236 %techniques for interpreting the user inputs.  
1237 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
1238 %points. 
1239
1240 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
1241 %organized in components which work on data in this format. For instance the
1242 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
1243 %\MATHML{} Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print ...
1244 %FINIRE
1245
1246 A final section is devoted to some innovative aspects
1247 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
1248 content selection and copy-paste. 
1249
1250 \subsection{Patterns}
1251
1252 \subsubsection{Direct manipulation of terms}
1253
1254 While terms are input as \TeX-like formulae in \MATITA, they're converted to a
1255 mixed \MATHML+\BOXML{} markup for output purposes and then rendered by
1256 \GTKMATHVIEW. This mixed choice~\cite{latexmathml} enables both high-quality
1257 bidimensional rendering of terms (including the use of fancy layout schemata
1258 like radicals and matrices~\cite{mathml}) and the use of a concise and
1259 widespread textual syntax.
1260
1261 \begin{figure}[t]
1262  \begin{center}
1263   \includegraphics[width=0.40\textwidth]{matita-screenshot-selection}
1264   \hspace{0.05\textwidth}
1265   \raisebox{0.4cm}{\includegraphics[width=0.50\textwidth]{matita-screenshot-href}}
1266   \caption{Semantic selection and hyperlinks}
1267   \label{fig:directmanip}
1268  \end{center}
1269 \end{figure}
1270
1271 Keeping pointers from the presentations level terms down to the
1272 partially specified ones \MATITA{} enable direct manipulation of
1273 rendered (sub)terms in the form of hyperlinks and semantic selection.
1274 \emph{Hyperlinks} have anchors on the occurrences of constant and
1275 inductive type constructors and point to the corresponding definitions
1276 in the library. Anchors are available notwithstanding the use of
1277 user-defined mathematical notation: as can be seen on the right of
1278 Fig.~\ref{fig:directmanip}, where we clicked on $\not|$, symbols
1279 encoding complex notations retain all the hyperlinks of constants or
1280 constructors used in the notation.
1281
1282 \emph{Semantic selection} enable the selection of mixed
1283 \MATHML+\BOXML{} markup, constraining the selection to markup
1284 representing meaningful CIC (sub)terms. In the example on the left of
1285 Fig.~\ref{fig:directmanip} is thus possible to select the subterm
1286 $\mathrm{prime}~n$, whereas it would not be possible to select
1287 $\forall~n:nat$ since the former denotes an application while the
1288 latter denotes an incomplete $\Pi$-binder. Once a (sub)term has been
1289 selected that way actions can be done on it like reductions or tactic
1290 applications.
1291
1292 In our experience working with direct manipulation of terms is really
1293 effective and faster than retyping them. Nonetheless we need a way to
1294 encode term selections in scripts so that they can be batch compiled
1295 by \MATITAC. In \MATITA{} \emph{patterns} implement that encoding,
1296 being patterns the textual representations of \GTKMATHVIEW{} semantic
1297 selections.  \NOTE{Zack:c'\`e scritto da qualche parte che l'utente
1298 non li deve necessariamente scrivere a mano, ma che pu\`o incollarli?
1299 Va scritto.}
1300
1301 \subsubsection{Pattern syntax}
1302 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
1303 $\NT{wanted}$.
1304 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
1305 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
1306 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
1307
1308 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
1309 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
1310 \begin{table}
1311  \caption{\label{tab:pathsyn} Patterns concrete syntax.\strut}
1312 \hrule
1313 % \[
1314 % \begin{array}{@{}rcll@{}}
1315 %   \NT{pattern} & 
1316 %     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
1317 %   \NT{sequent\_path} & 
1318 %     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1319 %       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1320 %   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1321 %   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1322 % \end{array}
1323 % \]
1324 \[
1325 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1326   \NT{pattern} & 
1327     ::= & [~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]~[~\verb+match+~\NT{wanted}~] & \\
1328   \NT{sequent\_path} & 
1329     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1330       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1331   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1332   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1333 \end{array}
1334 \]
1335 \hrule
1336 \end{table}
1337
1338 \subsubsection{Pattern concepts}
1339 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
1340 selects roots (subterms) of the sequent, using the
1341 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
1342 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
1343 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
1344 conclusion.
1345
1346 \begin{description}
1347 \item[Phase 1]
1348   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1349   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1350   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1351   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1352   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1353   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1354   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1355   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1356   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1357   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1358   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1359
1360   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
1361   is allowed.
1362   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1363   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1364   selects the whole term, is simply $\%$.
1365   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1366   that respectively select the first argument of an application or
1367   the source of an arrow and the head of the application that is
1368   found in the arrow target.
1369
1370   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
1371   their context that will be eventually used in the second phase.
1372
1373 \item[Phase 2] 
1374   plays a role only if the $[~\verb+match+~\NT{wanted}~]$
1375   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1376   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1377   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1378   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
1379   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1380   pattern represents.
1381
1382 \end{description}
1383
1384 \noindent
1385 Since the first step is equipotent to the composition of the two
1386 steps, the system uses it to represent each visual selection.
1387 The second step is only meant for the
1388 experienced user that writes patterns by hand, since it really
1389 helps in writing concise patterns as we will see in the
1390 following examples.
1391
1392 \subsubsection{Examples}
1393 To explain how the first step works let's give an example. Consider
1394 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1395 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
1396 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1397 Typing
1398 \begin{grafite}
1399 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1400   intros (n m H).
1401 \end{grafite}
1402 \noindent
1403 leads you to the following sequent 
1404 \sequent{
1405 n:nat\\
1406 m:nat\\
1407 H: m + n = n}{
1408 m=O
1409 }
1410 \noindent
1411 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
1412 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
1413 \begin{grafite}
1414   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1415 \end{grafite}
1416 \noindent
1417 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
1418 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
1419 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
1420 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
1421 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
1422 and left to the system the burden of writing down in the script file the
1423 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
1424 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
1425 the type $nat$ in this example).
1426
1427 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
1428 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
1429 a simpler pattern that uses the second phase.
1430 \begin{grafite}
1431   change in H match n with (O + n).
1432 \end{grafite}
1433 \noindent
1434 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1435 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
1436 $\alpha$-equivalence. The resulting
1437 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
1438 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
1439
1440 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
1441 following one, that is less readable but uses only the first phase.
1442 \begin{grafite}
1443   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1444 \end{grafite}
1445 \noindent
1446
1447 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1448 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1449 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1450 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1451
1452 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1453 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1454 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1455 con una pattern\_of(select(pattern))}
1456
1457 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1458 \COQ{} has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
1459 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1460 a term occurrence.
1461
1462 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
1463 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
1464 the second is to prepare the sequent with another tactic called
1465 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
1466 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1467 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1468
1469 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1470 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1471 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
1472 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1473 is
1474 \begin{grafite}
1475   change n at 2 in H with (O + n)
1476 \end{grafite} 
1477 \noindent
1478 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1479 second we encounter proceeding from left toright.
1480
1481 The tactic pattern computes a
1482 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1483 occurrences of the given term. In the previous example the following
1484 command
1485 \begin{grafite}
1486   pattern n at 2 in H
1487 \end{grafite}
1488 \noindent
1489 would have resulted in this sequent
1490 \begin{grafite}
1491   n : nat
1492   m : nat
1493   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1494   ============================
1495    m = 0
1496 \end{grafite}
1497 \noindent
1498 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1499 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1500 the head of the application (since the unification is essentially
1501 first-order) but normally operate on the arguments. 
1502 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1503 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1504 unification. 
1505
1506 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1507 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1508 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1509 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1510 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1511 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1512 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1513
1514 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
1515 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1516 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1517
1518
1519 \subsection{Tacticals}
1520 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1521 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1522 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1523 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
1524 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1525 them.
1526
1527 \subsubsection{Tacticals overview}
1528
1529 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1530 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1531 The following simple example shows three tacticals in action
1532 \begin{grafite}
1533 theorem trivial: 
1534   \forall A,B:Prop. 
1535     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1536   intros (A B H).
1537   split; intro; 
1538     [ rewrite < H. assumption.
1539     | rewrite > H. assumption.
1540     ]
1541 qed.
1542 \end{grafite}
1543
1544 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1545 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1546 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1547 we have two goals, the two sides of the logic and).
1548 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1549 is proved by the first sequence of tactics
1550 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1551 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1552 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1553 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1554 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1555 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1556 delimiter of commands the proof assistant executes).
1557
1558 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1559 to read without the interactive tool. To help the reader in
1560 understanding the following considerations we just give few common
1561 usage examples without a proof context.
1562
1563 \begin{grafite}
1564   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1565   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1566 \end{grafite}
1567
1568 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1569 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1570 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1571 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1572 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1573 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1574 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1575 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1576
1577 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1578 compositions of tacticals and in particular they are a single
1579 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1580 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1581 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1582 a single statement.
1583
1584 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1585 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1586 maintainability and readability. 
1587
1588 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1589 compatibility is a really time consuming task. \\
1590 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1591 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1592 were not opening goals in the expected order. In particular the
1593 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1594 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1595 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1596 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1597 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1598 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1599 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1600 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1601 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1602 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1603 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1604 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1605 have been done automatically. 
1606
1607 From this experience we learned that the use of tacticals for
1608 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1609 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1610 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1611 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1612 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1613 for two different theorems to have the same proof script (while the
1614 proof is completely different).\\
1615 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1616 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1617 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1618 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1619 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1620 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1621 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1622 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1623 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1624 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1625 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1626 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1627 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1628
1629 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1630 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1631 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1632 they are executed.
1633
1634 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1635 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1636 making it impossible to read them again.
1637
1638 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1639
1640 \begin{table}
1641  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1642 \hrule
1643 \[
1644 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1645   \NT{punctuation} & 
1646     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1647   \NT{block\_kind} & 
1648     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1649   \NT{block\_delimiter} & 
1650     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1651   \NT{tactical} & 
1652     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1653 \end{array}
1654 \]
1655 \hrule
1656 \end{table}
1657
1658 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1659 While one would expect to find structured constructs like 
1660 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1661 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1662 execution.
1663
1664 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1665 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1666 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1667 even being a so simple idea:
1668 \begin{description}
1669 \item[Proof structuring] 
1670   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1671   are using classical tacticals in one of the state of the
1672   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1673   After applying the induction principle you have to choose: structure
1674   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1675   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1676   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1677   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1678   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1679   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1680   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1681   the already executed script you have to undo one step.
1682   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1683   the proof and write a plain list of tactics.\\
1684   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1685   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1686   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1687   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1688   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1689   structured proof. \\
1690   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1691   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1692   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1693   
1694 \item[Rereading]
1695   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1696   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1697   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1698   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1699   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1700   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1701   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1702   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1703   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1704   goal) gives you the feeling of what is going on.
1705 \end{description}
1706
1707 \section{Standard library}
1708
1709 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1710 can be read, checked and referenced in further developments. 
1711 However, in order to test the actual usability of the system, a
1712 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1713 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1714 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1715 \COQ{} objects. 
1716 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1717 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1718 Eulers' totient function $\phi$.
1719 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1720 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1721 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1722 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1723 in Figure\ref{scripts}
1724 \begin{figure}[htb]
1725 $\begin{array}{lll}
1726 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1727 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1728 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1729 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1730 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1731 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1732 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1733 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1734 totient.ma& & \\
1735 \end{array}$
1736 \caption{\label{scripts}\MATITA{} scripts on natural numbers}
1737 \end{figure}
1738
1739 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1740 as most of the systems do. On the contary we are currently
1741 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1742 development of the library, encouraging people to expand, 
1743 modify and elaborate previous contributions.
1744
1745 \section{Conclusions}
1746
1747 \acknowledgements
1748 We would like to thank all the students that during the past
1749 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1750 the development of \MATITA{}, and in particular
1751 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1752 and V.~Tamburrelli.
1753
1754 \theendnotes
1755
1756 \bibliography{matita}
1757
1758 \end{document}
1759