]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
49c5315902d20737540263e8319cd1a2b4a5ae4c
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[]{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\component}{component}
17 \newcommand{\components}{components}
18
19 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
20 \newcommand{\COQ}{Coq}
21 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
22 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
23 \newcommand{\HELM}{Helm}
24 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
25 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
26 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
27 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
28 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
29 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
30 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
31 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
32 \newcommand{\MATITA}{Matita}
33 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
34 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
35 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
36 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
37 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
38 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
39 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
40 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
41 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
42 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
43 \newcommand{\GETTER}{Getter}
44 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
45 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
46 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
47 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
48 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
49 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
50 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
51 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
52 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
53 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
54 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
55
56 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
57 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
58 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
59 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
60
61 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
62 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
63  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
64  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
65   \begin{center}
66    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
67   \end{center}}
68
69 \newcounter{example}
70 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
71  {}
72 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
73 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
74 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
75 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
76 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
77
78 \newcounter{pass}
79 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
80
81 \newsavebox{\tmpxyz}
82 \newcommand{\sequent}[2]{
83   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
84     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
85       \ensuremath{#1} \\
86       \rule{3cm}{0.03cm}\\
87       \ensuremath{#2}
88     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
89   \begin{center}
90    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
91   \end{center}}
92
93 \bibliographystyle{plain}
94
95 \begin{document}
96
97 \begin{opening}
98
99  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
100
101 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
102 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
103 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
104 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
105 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
106  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
107
108 \runningtitle{The Matita proof assistant}
109 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
110
111 % \date{data}
112
113 \begin{motto}
114 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
115 \end{motto}
116
117 \begin{abstract}
118  abstract qui
119 \end{abstract}
120
121 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
122 Digital Libraries}
123
124 \end{opening}
125
126
127 \section{Introduction}
128 \label{sec:intro}
129 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
130 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
131 Prof.~Asperti. \\
132 The paper describes the overall architecture of
133 the system, focusing on its most distintive and innovative 
134 features.
135
136 \subsection{Historical Perspective}
137 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
138 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
139 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
140 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
141 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
142 have been also conducted with other systems, and notably 
143 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
144 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
145 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
146 following steps:
147 \begin{itemize}
148 \item exporting the information from the internal representation of
149  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
150 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
151 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
152 of the library were the the main components around which everything else 
153 has to be build;
154 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
155  queries to the library; 
156 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
157 %search engine, described in~\cite{whelp};
158 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
159 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
160 active in the MathML Working group since 1999.}; 
161 %and developed inside
162 %\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
163 %which can be integrated in any application.
164 \end{itemize}
165
166 According to our content-centric commitment, the library exported from
167 Coq was conceived as being distributed and most of the tools were developed
168 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
169 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
170
171 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
172 to a set of software libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
173 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
174 tools and software libraries:
175 \begin{itemize}
176 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
177 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
178 \cite{exportation-module};
179 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
180 XML knowledge base;
181 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
182 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
183 logically relevant content;
184 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
185 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
186 mathematical notation \cite{disambiguation};
187 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
188 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
189 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
190 language \cite{remathematization};
191 \item an innovative, MathML-compliant rendering widget for the GTK 
192 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
193 high-quality bidimensional
194 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
195 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
196 a different text area.
197 \end{itemize}
198 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
199 too far away: essentially, we ``just'' had to
200 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
201 overall management of the library, integrating everything into a
202 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
203
204 \subsection{The System}
205 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''
206
207 \begin{itemize}
208  \item scelta del sistema fondazionale
209  \item sistema indipendente (da Coq)
210  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
211 \end{itemize}
212
213 \subsection{Relationship with \COQ{}}
214
215 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
216 more the effect of the circumstances of its creation described 
217 above than the result of a deliberate design. In particular, we
218 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
219 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
220 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
221 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
222 two systems.
223
224 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
225 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
226 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
227 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
228 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
229 we could furtherly reduce our code in sensible way).
230
231 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
232 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
233 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
234
235 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
236 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
237 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
238 the parser for ambiguous mathematical notation.
239
240 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
241 historically. \COQ{} is a quite old
242 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
243 several developers have took over the code and several new research ideas
244 that were not considered in the original architecture have been experimented
245 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
246 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
247 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
248 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
249 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
250 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
251 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
252 of the code.
253
254 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
255 we have took advantage of the research results and experiences previously
256 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
257 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
258 the code in coherent minimally coupled libraries.
259
260 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
261 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
262 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
263 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
264
265 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
266 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
267 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
268
269 \begin{figure}[t]
270  \begin{center}
271   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
272   \caption{\MATITA{} libraries}
273   \label{fig:libraries}
274  \end{center}
275 \end{figure}
276
277 \section{Architecture}
278 \label{architettura}
279 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
280 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
281 project.
282
283 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
284 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
285 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
286
287 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
288 at different scales. Applications that require only a few functionalities
289 depend on a restricted set of \components{}.
290
291 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
292 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
293 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
294 elsewhere. In particular:
295 \begin{itemize}
296  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
297    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
298    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
299    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
300    distributed on the network. More information on the Getter can be found
301    in~\cite{zack-master}.
302  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
303    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
304    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
305    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
306    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
307    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
308    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
309    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
310    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
311    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
312  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
313    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
314    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
315    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
316    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
317    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
318  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
319    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
320    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
321    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
322    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
323    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
324  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
325    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
326    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
327 \end{itemize}
328
329 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
330 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
331 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
332 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
333 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
334 is just a wrapper to the \texttt{getter} \component{} that allows the
335 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
336 of the \texttt{getter} \component, or it can use a stub library with the same
337 API that forwards every request to the Getter.
338
339 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
340 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
341 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
342 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
343 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
344 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
345 a different set of functionalities. The four different levels are:
346 fully specified terms; partially specified terms; 
347 content level terms; presentation level terms.
348
349 \subsection{Fully specified terms}
350 \label{fully-spec}
351  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
352    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
353    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
354    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
355    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
356    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
357    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
358    consumption.
359
360    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
361    and provides a parser for terms stored in an XML format.
362
363    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
364    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
365    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
366    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
367    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
368
369    Terms may reference other mathematical notions in the library.
370    One commitment of our project is that the library should be physically
371    distributed. The \texttt{getter} \component{} manages the distribution,
372    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
373    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
374    data type and several utility functions over URIs. The
375    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \texttt{getter}
376    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
377    notion referenced by a term that is being type-checked. 
378
379    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
380    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
381
382    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
383    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
384    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
385    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
386    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
387    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
388    a simplified
389    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
390    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
391    metadata
392    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
393    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
394    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
395    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
396    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
397    (that will be described later on and that is implemented in the
398     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
399    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
400    candidates. The process that has issued the query is responsible of
401    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
402    out false matches if interested in doing so.
403
404    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
405    the \texttt{whelp} \component.
406
407    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
408    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
409    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
410    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
411    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
412    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
413    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
414    in Sect.~\ref{decompilazione}.
415    
416 \subsection{Partially specified terms}
417 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
418 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
419 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
420 linearly. The latters may occur multiple times and are called
421 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
422 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
423 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
424 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
425 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
426 value for the term bound by the hypothesis.
427
428 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
429 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
430 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
431 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
432 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
433 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
434 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
435 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
436 as few as possible metavariables that occur in them.
437
438 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
439 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
440 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
441 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
442 prove.
443
444 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
445 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
446 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
447 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
448 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
449
450 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
451 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
452 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
453 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
454 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
455 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
456 previous statuses. \TODO{parlare di disambiguazione lazy \& co?}
457
458 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
459 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
460 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
461 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
462 information that can be inferred by the refiner.
463
464 \subsection{Content level terms}
465 \label{sec:contentintro}
466
467 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
468 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
469 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
470 ambiguity that the mathematical language provides.
471
472 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
473 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
474 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
475 or for their computational properties. For instance equality over real
476 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
477 rational numbers.
478
479 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
480 properties without caring about their representation. However the computational
481 properties of addition over the binary representation are very different from
482 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
483 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
484
485 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
486 very precise on the types he is using and their representation. However,
487 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
488 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
489 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
490 the \emph{content level} representation of expressions.
491
492 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
493 to content level terms and the other way around. The first translation can also
494 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
495 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
496
497 The translation from partially specified terms to content level terms must
498 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
499 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
500 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
501 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
502 standard
503 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
504
505 The translation to content level is implemented in the
506 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
507 specified terms}, that are maximally unshared
508 partially specified terms enriched with additional typing information for each
509 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
510 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
511 content level since it is required to generate the natural language rendering
512 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
513 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
514 two different positions we need to associate different typing informations.
515 This association is made easier when the term is represented as a tree since
516 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
517 the typing information using a map on the identifiers.
518 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
519 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
520 in the library in their annotated form.
521
522 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
523 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
524 the reverse translation for expressions. The mapping from
525 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
526 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
527 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
528 every ambiguous expression one partially specified term. The
529 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
530 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
531 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
532 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
533 obtained using the interpretation is refinable.
534
535 \subsection{Presentation level terms}
536
537 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
538 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
539 is called \emph{presentation level}.
540
541 The main important difference between the content level language and the
542 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
543 the presentation level language is a finite language that comprises all
544 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
545 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
546
547 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
548 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
549 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
550 visually
551 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
552 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
553 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
554 BoxML.
555
556 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
557 translation from content level terms to presentation level terms. The
558 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
559 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
560 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
561 presentation
562 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
563 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
564 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
565 selection}.
566
567 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
568 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
569 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
570 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
571 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
572 fully specified term.
573 Once the rendering of a lower level term is
574 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
575 lower level term. An example of applications of semantic selection is
576 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
577 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
578 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
579 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
580
581 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
582 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
583 Differently from the translation from content level terms to partially
584 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
585 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
586 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
587 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
588 This means that the user must fix once and for all the associativity and
589 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
590 does not seem too strong. The reason is that the target of the
591 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
592 to every content level term several different interpretations (as a
593 partially specified term).
594
595 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
596 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
597 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
598 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
599 of commands to declare and activate new notations and it implements the
600 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
601 actions. Among the commands there are hints to the
602 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
603 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{disambiguazione}.
604
605 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
606 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
607 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
608 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
609 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
610 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
611 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
612 level, it invokes the already described parser for terms contained in
613 \texttt{content\_pres}.
614
615 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
616 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
617 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
618 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
619 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
620 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
621 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
622 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
623
624 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
625 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
626 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
627 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
628 it to the presentation level passing through the content level. Finally
629 it returns the result document to be rendered by the user's
630 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
631
632
633 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
634 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
635 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
636 services missing from the standard library of the programming language.
637 In particular, the \texttt{xml} \component{} is used
638 to easily represent, parse and pretty-print XML files.
639
640 \section{Using \MATITA (boh \ldots cambiare titolo)}
641
642 \begin{figure}[t]
643  \begin{center}
644 %   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{a.eps}
645   \caption{\MATITA{} screenshot}
646   \label{fig:screenshot}
647  \end{center}
648 \end{figure}
649
650 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
651 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
652 script, on the right the list of open goal is shown using a MathML rendering
653 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
654 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
655 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
656 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
657 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
658 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
659 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
660 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
661
662 In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
663 only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
664 all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
665 visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
666 hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
667 the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
668
669 This methodological assumption has many important consequences
670 which will be discussed in the next section.
671
672 %on one side
673 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
674 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
675 %information; 
676 %on the other it introduces overloading in the use of 
677 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
678 %techniques for interpreting the user inputs.  
679 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
680 %points. 
681
682 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
683 %organized in components which work on data in this format. For instance the
684 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
685 %MathML Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print  ...
686 %FINIRE
687
688 A final section is devoted to some innovative aspects
689 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
690 content selection and copy-paste. 
691
692 \section{Library Management}
693
694 \subsection{Indexing and searching}
695
696
697 \subsection{Compilation and decompilation}
698 \label{compilazione}
699
700 The aim of this section is to describe the way matita 
701 preserves the consistency and the availability of the library
702 trough the \WHELP{} technology, in response to the user addition or 
703 deletion of mathematical objects.
704
705 As already sketched in \ref{fully-spec} the output of the
706 compilation of a script is split among two storage media, a
707 classical filesystem and a relational database. The former is used to
708 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
709 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
710 while the latter is used to store all the metadata needed by
711 \WHELP{}. In addition the \emph{getter} component
712 should be updated with the the new mapping between the logical URI
713 and the physical path of objects.
714
715 While this kind of consistency has nothing to do with the nature of
716 the content of the library and is thus of poor interest (but really
717 tedious to implement and keep bug-free), there is a more deep
718 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
719 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
720 already proved theorems). 
721
722 We will focus on how matita ensures the interesting kind
723 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
724 giving the user the freedom of adding, deleting, modifying objects
725 without loosing the feeling of an always visible and browsable
726 library.
727
728 \subsubsection{Compilation}
729 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
730 it depends only on well defined objects available in the library,
731 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
732 the library is preserved. We have only find the right order of
733 compilation of the scripts that compose the user development.
734
735 For this purpose we developed a low level tool called \emph{matitadep}
736 that takes in input the list of files that compose the development and
737 outputs their dependencies in a format suitable for the make utility.
738 The user is not asked to run \emph{matitadep} nor make by hand, but
739 simply to tell matita the root directory of his development (where all
740 script files can be found) and matita will handle all the compilation
741 tasks.\\
742 To calculate dependencies it is enough to look at the script file for
743 its inclusions of other parts of the development or for explicit
744 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
745 \ref{aliases}). 
746
747 The output of the compilation is immediately available to the user
748 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
749 user-specific area of the database where the search engine has read
750 access, and all the automated tactics that operates on the whole
751 library, like auto, have full visibility of the newly defined objects.
752
753 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
754 to compile again the same script, maybe after the deletion of a
755 theorem. Here the policy is simple: decompile it before recompiling.
756 As we will see in the next section decompilation will ensure that
757 there will be no theorems in the development that depends on the
758 removed item.
759
760 \subsubsection{Decompilation}
761 Decompiling an object involves,
762 recursively, the decompilation of all the objects that depend on it.
763
764 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
765 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
766 that matita saves in the filesystem as a result of compilation. The
767 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
768 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
769 database.\\ 
770 The latter is a fall-back in case the database is not available. Due to
771 the complex deployment of a complex peace of software like a database,
772 it is a common usage for the \HELM{} team to use a single and remote
773 database, that may result unavailable if the user workstation lacks
774 connectivity.  This facility has to be intended only as a fall-back,
775 since the whole \WHELP{} technology depends on the database.
776
777 Decompilation guarantees that if an object is removed there are no
778 dandling references to it, and that the part of the library still
779 compiled is logically consistent. Since decompilation involves the
780 deletion of all the outputs of the compilation, metadata included, the
781 library browsable trough the \WHELP{} technology is always up to date.
782
783 \subsubsection{Interactive and batch (de)compilation}
784 Matita includes an interactive graphical interface and a batch
785 compiler. Only the former is intended to be used directly by the
786 user, the latter is automatically invoked when a not yet compiled
787 part of the user development is required.
788
789 While they share the same engine for compilation and decompilation,
790 they provide different granularity. The batch compiler is only able to
791 compile a whole script file and reciprocally it can decompile only a whole
792 script, and consequently all the other scripts that rely on an object
793 defined in it. The interactive interface is able to execute single steps
794 of compilation, that may include the definition of an object, and
795 symmetrically to undo single steps, thus removing single objects.
796
797 %
798 %goals: consentire sviluppo di una librearia mantenendo integrita' referenziale e usando le teconologie nostre (quindi con metadati, XML, libreria visibile)
799 %\subsubsection{Composition}
800 %scripts.ma, .moo, XML, metadata
801 %\subsubsection{Compilation}
802 %analogie con compilazione classica dso.\\
803 %granularita' differenti per uso interattivo e non
804 %\paragraph{Batch}
805 %- granularita' .ma/buri \\
806 %-- motivazioni\\
807 %- come si calcolano le dipendenze\\
808 %- quando la si usa\\
809 %- metodi (cc e clean)\\
810 %- garanzie
811 %\paragraph{Interactive}
812 %- granularita' fine\\
813 %-- motivazioni
814 %\label{sec:libmanagement}
815 %consistenza: integrita' referenziale
816 %Goals: mantenere consistente la rappresentazione della libreria su memoria persistente consentendo di compilare e decompilare le compilation unit (.ma).\\
817 %Vincoli: dipendenze oggetti-oggetti e metadati-oggetti\\
818 %Due livelli di gestione libreria, uno e' solo in fase interattiva dove la compilazione e' passo passo: \\
819 %--- granularita' oggetto per matita interactive\\
820 %--- granularita' baseuri (compilation unit) per la libreria\\
821 %In entrmbi i casi ora:\\
822 %--- matitaSync: add, remove, timetravel(facility-macro tra 2 stati)[obj]\\
823 %--- matitaCleanLib: clean\_baseuri (che poi usa matitaSync a sua volta)[comp1]\\
824 %Vincoli di add: typecheck ( ==$>$ tutto quello che usa sta in lib)\\
825 %Vincoli di remove: \\
826 %--- la remove di mSync non li controlla (ma sa cosa cancellare per ogni uri)\\
827 %--- la clean\_baseuri calcola le dipendenze con i metadati (o anche i moo direi) e li rispetta\\
828 %Undo di matita garantisce la consistenza a patto che l'history che tiene sia ok\\
829 %Undo della lib (mClean) garantisce la consistenza (usando moo o Db).\\
830
831 \subsection{Automation}
832
833 \subsection{Matita's naming convention}
834 A minor but not entirely negligible aspect of Matita is that of
835 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
836 our studies about metadata for statements. 
837 The convention is only applied to identifiers for theorems 
838 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
839 The basic rules are the following:
840 \begin{itemize}
841 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
842 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
843 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
844 separated by an underscore,
845 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
846 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
847 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
848 single or duoble apostrophe.
849
850 \end{itemize}
851 Take for instance the theorem
852 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
853 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
854 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
855 Similarly, consider the theorem 
856 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
857 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
858 while \verb+lt_le+ is not.\\
859 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
860 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
861 The correct approach, 
862 in this case, is the following. You should start with defining the 
863 symmetric property for relations
864
865 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
866
867 Then, you may state the symmetry of equality as
868 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
869 and \verb+symmetric_eq+ is valid Matita name for such a theorem. 
870 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
871 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
872 forcing the user to define abstract notions and properties before 
873 using them (and formalizing such use).
874
875 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
876 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
877 theorems of the shape
878 $\forall P,\dots.P(t)$.
879 In this case you may replace the conclusion with the word
880 ``elim'' or ``case''.
881 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
882 induction principle.
883
884 The other special case is that of statements whose conclusion is a
885 match expression. 
886 A typical example is the following
887 \begin{verbatim}
888   \forall n,m:nat. 
889       match (eqb n m) with
890         [ true  \Rightarrow n = m 
891         | false \Rightarrow n \neq m]
892 \end{verbatim}
893 where $eqb$ is boolean equality.
894 In this cases, the name can be build starting from the matched
895 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
896 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
897
898 \section{The \MATITA{} user interface}
899
900
901
902 \subsection{Disambiguation}
903
904 Software applications that involve input of mathematical content should strive
905 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
906 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
907 Being that drift in general very large when inputing
908 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
909 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
910 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
911 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
912 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
913
914 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
915 implemented in the \texttt{disambiguation} library of Fig.~\ref{fig:libraries}
916 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
917 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
918 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
919 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
920 expressiveness.
921
922 \subsubsection{Disambiguation aliases}
923 \label{aliases}
924 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
925 (Peano) natural numbers.
926
927 \begin{grafite}
928 include "nat/nat.ma".
929 ..
930 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
931   \lambda n, m. m < n.
932 \end{grafite}
933
934 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
935 defining the notion of natural numbers should be defined before
936 processing the following definition. Note indeed that the algorithm presented
937 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
938 expressions come from, since it is application-specific. As a first
939 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
940 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
941 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
942 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
943
944 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
945 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
946 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
947 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
948 both type and body are easily disambiguated.
949
950 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
951 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
952 course overload the \OP{<} operator):
953
954 \begin{grafite}
955 include "Z/z.ma".
956 ..
957 theorem Zlt_compat:
958   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
959 \end{grafite}
960
961 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
962 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
963 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
964 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
965 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
966 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
967 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
968 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
969 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
970 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
971
972 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
973 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
974 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
975 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
976 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
977 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
978 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
979 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
980 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
981 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
982 choosed):
983
984 \begin{grafite}
985 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
986 theorem Zlt_compat:
987   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
988 \end{grafite}
989
990 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
991 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
992 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
993 Consider for example:
994
995 \begin{grafite}
996 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
997 \end{grafite}
998
999 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1000 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1001 refinable partially specified term matching the term could be found.
1002
1003 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1004 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1005 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1006 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1007 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1008 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1009 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1010 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1011 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1012 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1013 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1014
1015 \subsubsection{Operator instances}
1016
1017 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1018 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1019 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1020
1021 \begin{grafite}
1022 include "Z/z.ma".
1023 include "nat/orders.ma".
1024 ..
1025 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1026   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1027 \end{grafite}
1028
1029 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1030 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1031 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1032 different interpretation for it have to be used in order to obtain a refinable
1033 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1034 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1035 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1036 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1037 \emph{fresh instances}.
1038
1039 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1040 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1041 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1042 attempting a non-fresh one.
1043
1044 \subsubsection{Implicit coercions}
1045
1046 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1047
1048 \begin{grafite}
1049 theorem power_deriv:
1050   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1051 \end{grafite}
1052
1053 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1054 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1055 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1056 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1057 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1058 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1059 level term, it will return a partially specified term where in place of
1060 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1061 (assuming it has been defined as such of course).
1062
1063 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1064 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1065 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1066 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1067 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1068 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1069 coercion-enabled pass.
1070
1071 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1072 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1073 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1074 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1075 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1076 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1077 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1078 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1079 prefer fresh instances over implicit coercion, i.e. we always attempt
1080 disambiguation passes with fresh instances before attempting passes with
1081 implicit coercions.
1082
1083 \subsubsection{Disambiguation passes}
1084
1085 \TODO{spiegazione della tabella}
1086
1087 \begin{center}
1088  \begin{tabular}{c|c|c|c}
1089   \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1090   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1091   & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1092   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1093   \hline
1094   \PASS & Normal & Mono & Disabled \\
1095   \PASS & Normal & Multi & Disabled \\
1096   \PASS & Fresh & Mono & Disabled \\
1097   \PASS & Fresh & Multi & Disabled \\
1098   \PASS & Fresh & Mono & Enabled \\
1099   \PASS & Fresh & Multi & Enabled \\
1100   \PASS & Fresh & Library & Enabled
1101  \end{tabular}
1102 \end{center}
1103
1104 \TODO{alias one shot}
1105
1106
1107
1108
1109
1110
1111
1112 \subsection{Patterns}
1113
1114 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
1115 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
1116 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
1117 tattichini.\\
1118
1119 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
1120 selection.
1121
1122 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
1123 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
1124 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
1125 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
1126 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
1127 script is not obvious.\\
1128 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
1129
1130 \subsubsection{Pattern syntax}
1131 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
1132 $\NT{wanted}$.
1133 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
1134 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
1135 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
1136
1137 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
1138 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
1139 \begin{table}
1140  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
1141 \hrule
1142 \[
1143 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1144   \NT{pattern} & 
1145     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
1146   \NT{sequent\_path} & 
1147     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1148       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1149   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1150   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1151 \end{array}
1152 \]
1153 \hrule
1154 \end{table}
1155
1156 \subsubsection{How patterns work}
1157 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
1158 selects roots (subterms) of the sequent, using the
1159 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
1160 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
1161 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
1162 conclusion.
1163
1164 \begin{description}
1165 \item[Phase 1]
1166   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1167   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1168   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1169   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1170   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1171   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1172   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1173   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1174   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1175   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1176   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1177
1178   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
1179   is allowed.
1180   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1181   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1182   selects the whole term, is simply $\%$.
1183   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1184   that respectively select the first argument of an application or
1185   the source of an arrow and the head of the application that is
1186   found in the arrow target.
1187
1188   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
1189   their context that will be eventually used in the second phase.
1190
1191 \item[Phase 2] 
1192   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
1193   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1194   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1195   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1196   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
1197   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1198   pattern represents.
1199
1200 \end{description}
1201
1202 \noindent
1203 Since the first step is equipotent to the composition of the two
1204 steps, the system uses it to represent each visual selection.
1205 The second step is only meant for the
1206 experienced user that writes patterns by hand, since it really
1207 helps in writing concise patterns as we will see in the
1208 following examples.
1209
1210 \subsubsection{Examples}
1211 To explain how the first step works let's give an example. Consider
1212 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1213 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
1214 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1215 Typing
1216 \begin{grafite}
1217 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1218   intros (n m H).
1219 \end{grafite}
1220 \noindent
1221 leads you to the following sequent 
1222 \sequent{
1223 n:nat\\
1224 m:nat\\
1225 H: m + n = n}{
1226 m=O
1227 }
1228 \noindent
1229 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
1230 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
1231 \begin{grafite}
1232   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1233 \end{grafite}
1234 \noindent
1235 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
1236 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
1237 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
1238 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
1239 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
1240 and left to the system the burden of writing down in the script file the
1241 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
1242 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
1243 the type $nat$ in this example).
1244
1245 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
1246 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
1247 a simpler pattern that uses the second phase.
1248 \begin{grafite}
1249   change in match n in H with (O + n).
1250 \end{grafite}
1251 \noindent
1252 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1253 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
1254 $\alpha$-equivalence. The resulting
1255 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
1256 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
1257
1258 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
1259 following one, that is less readable but uses only the first phase.
1260 \begin{grafite}
1261   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1262 \end{grafite}
1263 \noindent
1264
1265 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1266 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1267 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1268 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1269
1270 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1271 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1272 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1273 con una pattern\_of(select(pattern))}
1274
1275 \subsubsection{Comparison with Coq}
1276 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
1277 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1278 a term occurrence.
1279
1280 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
1281 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
1282 the second is to prepare the sequent with another tactic called
1283 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
1284 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1285 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1286
1287 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1288 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1289 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
1290 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1291 is
1292 \begin{grafite}
1293   change n at 2 in H with (O + n)
1294 \end{grafite} 
1295 \noindent
1296 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1297 second we encounter proceeding from left toright.
1298
1299 The tactic pattern computes a
1300 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1301 occurrences of the given term. In the previous example the following
1302 command
1303 \begin{grafite}
1304   pattern n at 2 in H
1305 \end{grafite}
1306 \noindent
1307 would have resulted in this sequent
1308 \begin{grafite}
1309   n : nat
1310   m : nat
1311   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1312   ============================
1313    m = 0
1314 \end{grafite}
1315 \noindent
1316 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1317 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1318 the head of the application (since the unification is essentially
1319 first-order) but normally operate on the arguments. 
1320 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1321 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1322 unification. 
1323
1324 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1325 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1326 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1327 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1328 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1329 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1330 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1331
1332 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
1333 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1334 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1335
1336
1337 \subsection{Tacticals}
1338 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1339 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1340 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1341 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
1342 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1343 them.
1344
1345 \subsubsection{Tacticals overview}
1346
1347 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1348 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1349 The following simple example shows three tacticals in action
1350 \begin{grafite}
1351 theorem trivial: 
1352   \forall A,B:Prop. 
1353     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1354   intros (A B H).
1355   split; intro; 
1356     [ rewrite < H. assumption.
1357     | rewrite > H. assumption.
1358     ]
1359 qed.
1360 \end{grafite}
1361
1362 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1363 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1364 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1365 we have two goals, the two sides of the logic and).
1366 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1367 is proved by the first sequence of tactics
1368 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1369 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1370 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1371 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1372 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1373 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1374 delimiter of commands the proof assistant executes).
1375
1376 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1377 to read without the interactive tool. To help the reader in
1378 understanding the following considerations we just give few common
1379 usage examples without a proof context.
1380
1381 \begin{grafite}
1382   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1383   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1384 \end{grafite}
1385
1386 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1387 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1388 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1389 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1390 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1391 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1392 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1393 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1394
1395 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1396 compositions of tacticals and in particular they are a single
1397 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1398 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1399 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1400 a single statement.
1401
1402 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1403 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1404 maintainability and readability. 
1405
1406 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1407 compatibility is a really time consuming task. \\
1408 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1409 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1410 were not opening goals in the expected order. In particular the
1411 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1412 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1413 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1414 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1415 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1416 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1417 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1418 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1419 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1420 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1421 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1422 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1423 have been done automatically. 
1424
1425 From this experience we learned that the use of tacticals for
1426 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1427 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1428 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1429 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1430 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1431 for two different theorems to have the same proof script (while the
1432 proof is completely different).\\
1433 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1434 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1435 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1436 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1437 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1438 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1439 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1440 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1441 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1442 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1443 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1444 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1445 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1446
1447 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1448 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1449 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1450 they are executed.
1451
1452 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1453 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1454 making it impossible to read them again.
1455
1456 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1457
1458 \begin{table}
1459  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1460 \hrule
1461 \[
1462 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1463   \NT{punctuation} & 
1464     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1465   \NT{block\_kind} & 
1466     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1467   \NT{block\_delimiter} & 
1468     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1469   \NT{tactical} & 
1470     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1471 \end{array}
1472 \]
1473 \hrule
1474 \end{table}
1475
1476 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1477 While one would expect to find structured constructs like 
1478 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1479 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
1480
1481 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1482 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1483 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1484 even being a so simple idea:
1485 \begin{description}
1486 \item[Proof structuring] 
1487   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1488   are using classical tacticals in one of the state of the
1489   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
1490   After applying the induction principle you have to choose: structure
1491   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1492   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1493   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1494   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1495   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1496   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1497   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1498   the already executed script you have to undo one step.
1499   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1500   the proof and write a plain list of tactics.\\
1501   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1502   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1503   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1504   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1505   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1506   structured proof. \\
1507   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1508   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1509   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1510   
1511 \item[Rereading]
1512   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1513   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1514   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1515   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1516   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1517   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1518   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1519   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1520   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1521   goal) gives you the feeling of what is going on.
1522 \end{description}
1523
1524 \section{The Matita library}
1525
1526 Matita is Coq compatible, in the sense that every theorem of Coq
1527 can be read, checked and referenced in further developments. 
1528 However, in order to test the actual usability of the system, a
1529 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1530 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1531 while, in the case of Coq, Matita may only rely on XML files of
1532 Coq objects. 
1533 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1534 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1535 Eulers' totient function $\phi$.
1536 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1537 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1538 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1539 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1540 in Figure\ref{scripts}
1541 \begin{figure}[htb]
1542 $\begin{array}{lll}
1543 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1544 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1545 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1546 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1547 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1548 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1549 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1550 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1551 totient.ma& & \\
1552 \end{array}$
1553 \caption{\label{scripts}Matita scripts on natural numbers}
1554 \end{figure}
1555
1556 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1557 as most of the systems do. On the contary we are currently
1558 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1559 development of the library, encouraging people to expand, 
1560 modify and elaborate previous contributions.
1561
1562 \section{Conclusions}
1563
1564 \acknowledgements
1565 We would like to thank all the students that during the past
1566 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1567 the development of Matita, and in particular
1568 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1569 and V.~Tamburrelli.
1570
1571 \theendnotes
1572
1573 \bibliography{matita}
1574
1575 \end{document}
1576