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[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass{kluwer}
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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{\AUTO}{\textsc{Auto}}
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18 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
19 \newcommand{\HELM}{Helm}
20 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
21 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
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23 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
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25 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
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28 \newcommand{\MATITA}{Matita}
29 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
30 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
31 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
32 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
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36 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
37 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
38 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
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51
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62   \end{center}}
63
64 \newcounter{example}
65 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
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72
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75   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
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84
85 \bibliographystyle{plain}
86
87 \begin{document}
88
89 \begin{opening}
90
91  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
92
93 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
94 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
95 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
96 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
97 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
98  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
99
100 \runningtitle{The Matita proof assistant}
101 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
102
103 % \date{data}
104
105 \begin{motto}
106 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
107 \end{motto}
108
109 \begin{abstract}
110  abstract qui
111 \end{abstract}
112
113 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
114 Digital Libraries}
115
116 \end{opening}
117
118 \begin{figure}[t]
119  \begin{center}
120   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
121   \caption{\MATITA{} libraries}
122  \end{center}
123  \label{fig:libraries}
124 \end{figure}
125
126 \section{Overview of the Architecture}
127 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{libraries} (circle nodes)
128 and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM project.
129
130 Applications and libraries depend over other libraries forming a
131 directed acyclic graph (DAG). Each library can be decomposed in
132 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
133
134 Modules and libraries provide coherent sets of functionalities
135 at different scales. Applications that require only a few functionalities
136 depend on a restricted set of libraries. \MATITA, our most complex
137 application, depends on every library.
138
139 Only the proof assistant \MATITA{} is an application meant to be used directly
140 by the user. All the other applications are Web services developed in the
141 HELM and MoWGLI projects and already described elsewhere. In particular:
142 \begin{itemize}
143  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
144    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
145    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
146    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
147    distributed on the network. More information on the Getter can be found
148    in~\cite{getter}.
149  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
150    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
151    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
152    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
153    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
154    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
155    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
156    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
157    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
158    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
159  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
160    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
161    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
162    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
163    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
164    Uwobo has been described in~\cite{uwobo}.
165  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
166    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
167    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
168    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
169    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
170    The proof checker has been described in~\cite{proofchecker}.
171  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
172    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
173    The dependency analyzer has been described in~\cite{dependencyanalyzer}.
174 \end{itemize}
175
176 The dependency of a library or application over another library can
177 be satisfied by linking the library in the same executable.
178 For those libraries whose functionalities are also provided by the
179 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
180 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
181 is just a wrapper to the \texttt{getter} library that allows the library
182 to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code of the
183 \texttt{getter} library, or it can use a stub library with the same API
184 that forwards every request to the Getter.
185
186 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
187 library, we can focus on the representation of the mathematical information.
188 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
189 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
190 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
191 four different levels of refinement. On each level it is possible to provide a
192 different set of functionalities. The four different levels are:
193 fully specified terms; partially specified terms; terms
194 at the content level; terms at the presentation level.
195
196 \subsection{Fully specified terms}
197  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
198    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
199    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
200    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
201    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
202    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
203    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
204    consumption.
205
206    The \texttt{cic} library defines the data type that represents CIC terms
207    and provides a parser for terms stored in an XML format.
208
209    The most important library that deals with fully specified terms is
210    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
211    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
212    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
213    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
214
215    Terms may reference other mathematical notions in the library.
216    One commitment of our project is that the library should be physically
217    distributed. The \texttt{getter} library manages the distribution,
218    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
219    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} library provides the URI
220    data type and several utility functions over URIs. The
221    \texttt{cic\_proof\_checking} library calls the \texttt{getter} library
222    every time it needs to retrieve the definition of a mathematical notion
223    referenced by a term that is being type-checked. 
224
225    The Proof Checker is the Web service that provides an HTTP interface
226    to the \texttt{cic\_proof\_checking} library.
227
228    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
229    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
230    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
231    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
232    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
233    database for later usage. The \texttt{hmysql} library provides a simplified
234    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
235    metadata. The \texttt{metadata} library defines the data type of the metadata
236    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
237    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
238    The \texttt{whelp} library implements a search engine that performs
239    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
240    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
241    (that will be described later on and that is implemented in the
242     \texttt{cic\_unification} library). Not performing any actual matching
243    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
244    candidates. The process that has issued the query is responsible of
245    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
246    out false matches if interested in doing so.
247
248    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
249    the \texttt{whelp} library.
250
251 \subsection{Partially specified terms}
252 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
253 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
254 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
255 linearly. The latters may occur multiple times and are called
256 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
257 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
258 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
259 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
260 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
261 value for the term bound by the hypothesis.
262
263 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
264 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
265 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
266 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
267 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
268 in the \texttt{cic\_unification} library. As the type checker is based on
269 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
270 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
271 as few as possible metavariables that occur in them.
272
273 Since terms are use in CIC to represent proofs, so far correct incomplete
274 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
275 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
276 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
277 prove.
278
279 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
280 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
281 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
282 \texttt{tactics} library. It is heavily based on the refinement and unification
283 procedures of the \texttt{cic\_unification} library.
284
285 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
286 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
287 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
288 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
289 information that can be inferred by the refiner.
290
291 \subsection{Terms at the content level}
292 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
293 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
294 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
295 ambiguity that the mathematical language provides.
296
297 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
298 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
299 that several equalities can be identified as soon as we care for decidability
300 or for their computational properties. For instance equality over real
301 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
302 rational numbers.
303
304 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
305 properties without caring about their representation. However the computational
306 properties of addition over the binary representation are very different from
307 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
308 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
309
310 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
311 very precise on the types he is using and their representation. However,
312 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
313 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
314 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
315 the \emph{content level} representation of expressions.
316
317 In \MATITA{} we provide two translations from partially specified terms
318 to content level terms and the other way around. The first translation can also
319 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
320 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
321
322 The translation from partially specified terms to content level terms must
323 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
324 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
325 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
326 are translated to MathML Content formulae. MathML Content is a W3C standard
327 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
328
329 The translation to content level is implemented in the
330 \texttt{acic\_content} library. Its input are \emph{annotated partially
331 specified terms}. Annotated partially specified terms are maximally unshared
332 partially specified terms enriched with additional typing information for each
333 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
334 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
335 content level since it is required to generate the natural language rendering
336 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
337 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
338 two different positions we need to associate different typing informations.
339 This association is made easier when the term is represented as a tree since
340 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
341 the typing information using a map on the identifiers.
342 The \texttt{cic\_acic} library annotates partially specified terms.
343
344 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
345 partially specified terms. But in \texttt{disambiguation} we do provide
346 the reverse translation for expressions. The mapping from
347 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
348 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
349 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
350 every ambiguous expression one partially specified term. The
351 \texttt{disambiguation} library contains the implementation of the
352 disambiguation algorithm we presented in \cite{disambiguation} that is
353 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
354 interpretations. An interpretation is correct if the partially refined term
355 obtained using the interpretation is refinable.
356
357 \subsection{Terms at the presentation level}
358
359 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
360 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
361 is called \emph{presentation level}.
362
363 The main important difference between the content level language and the
364 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
365 the presentation level language is a finite language that comprises all
366 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
367 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
368
369 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
370 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
371 Presentation that is an XML dialect standardized by the W3C. To visually
372 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
373 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
374 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
375 BoxML.
376
377 The \texttt{content\_pres} library contains the implementation of the
378 translation from content level terms to presentation level terms. The
379 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
380 the library. However, in the \texttt{hgdome} library we provide a few
381 utility functions to build a GDOM MathML+BoxML tree from our presentation
382 level terms. GDOM MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
383 widget developed by Luca Padovani \cite{gtkmathview}. The widget is
384 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
385 selection}.
386
387 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
388 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
389 refined terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
390 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
391 correspond to a lower level term. Once the rendering of a lower level term is
392 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
393 lower level term. An example of applications of semantic selection is
394 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
395 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially enriched term),
396 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
397 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
398
399 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
400 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
401 Differently from the translation from content level terms to partially
402 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
403 parsing library we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
404 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
405 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
406 This means that the user must fix once and for all the associativity and
407 precedence level of every operator is he using. In prctice this limitation
408 does not seem too strong. The reason is that the target of the
409 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
410 to every content level term several different interpretations (as a
411 partially specified term).
412
413 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
414 against the \texttt{cic\_disambiguation} and \texttt{content\_pres} libraries
415 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
416 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} library and
417 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} library.
418
419 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} library,
420 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
421 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
422 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
423 it to the presentation level passing through the content level. Finally
424 it returns the result document to be rendered by the user's browser.
425
426 \hrule
427
428 At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
429 \texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
430 useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
431 to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
432 since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
433 The other basic libraries provide often needed operations over generic
434 data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
435 (the \texttt{registry}).
436
437 \texttt{urimanager}
438
439 \texttt{getter}
440
441 \texttt{cic}
442
443 \section{Partially specified terms}
444 --- il mondo delle tattiche e dintorni ---
445 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
446 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
447 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
448 tattichini.\\
449
450
451
452 \subsection{Patterns}
453 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
454 selection.
455
456 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
457 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
458 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
459 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
460 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
461 script is not obvious.\\
462 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
463
464 \subsubsection{Pattern syntax}
465 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
466 $\NT{wanted}$.
467 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
468 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
469 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
470
471 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
472 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
473 \begin{table}
474  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
475 \hrule
476 \[
477 \begin{array}{@{}rcll@{}}
478   \NT{pattern} & 
479     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
480   \NT{sequent\_path} & 
481     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
482       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
483   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
484   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
485 \end{array}
486 \]
487 \hrule
488 \end{table}
489
490 \subsubsection{How patterns work}
491 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
492 selects roots (subterms) of the sequent, using the
493 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
494 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
495 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
496 conclusion.
497
498 \begin{description}
499 \item[Phase 1]
500   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
501   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
502   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
503   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
504   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
505   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
506   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
507   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
508   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
509   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
510   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
511
512   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
513   is allowed.
514   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
515   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
516   selects the whole term, is simply $\%$.
517   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
518   that respectively select the first argument of an application or
519   the source of an arrow and the head of the application that is
520   found in the arrow target.
521
522   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
523   their context that will be eventually used in the second phase.
524
525 \item[Phase 2] 
526   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
527   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
528   will see as subterm roots, and their context. For each of these
529   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
530   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
531   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
532   pattern represents.
533
534 \end{description}
535
536 \noindent
537 Since the first step is equipotent to the composition of the two
538 steps, the system uses it to represent each visual selection.
539 The second step is only meant for the
540 experienced user that writes patterns by hand, since it really
541 helps in writing concise patterns as we will see in the
542 following examples.
543
544 \subsubsection{Examples}
545 To explain how the first step works let's give an example. Consider
546 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
547 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
548 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
549 Typing
550 \begin{grafite}
551 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
552   intros (n m H).
553 \end{grafite}
554 \noindent
555 leads you to the following sequent 
556 \sequent{
557 n:nat\\
558 m:nat\\
559 H: m + n = n}{
560 m=O
561 }
562 \noindent
563 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
564 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
565 \begin{grafite}
566   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
567 \end{grafite}
568 \noindent
569 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
570 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
571 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
572 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
573 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
574 and left to the system the burden of writing down in the script file the
575 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
576 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
577 the type $nat$ in this example).
578
579 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
580 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
581 a simpler pattern that uses the second phase.
582 \begin{grafite}
583   change in match n in H with (O + n).
584 \end{grafite}
585 \noindent
586 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
587 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
588 $\alpha$-equivalence. The resulting
589 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
590 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
591
592 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
593 following one, that is less readable but uses only the first phase.
594 \begin{grafite}
595   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
596 \end{grafite}
597 \noindent
598
599 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
600 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
601 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
602 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
603
604 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
605 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
606 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
607 con una pattern\_of(select(pattern))}
608
609 \subsubsection{Comparison with Coq}
610 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
611 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
612 a term occurrence.
613
614 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
615 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
616 the second is to prepare the sequent with another tactic called
617 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
618 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
619 with pattern and do not accept directly this special syntax.
620
621 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
622 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
623 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
624 to change only the left part of the equivalence, the correct command
625 is
626 \begin{grafite}
627   change n at 2 in H with (O + n)
628 \end{grafite} 
629 \noindent
630 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
631 second we encounter proceeding from left toright.
632
633 The tactic pattern computes a
634 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
635 occurrences of the given term. In the previous example the following
636 command
637 \begin{grafite}
638   pattern n at 2 in H
639 \end{grafite}
640 \noindent
641 would have resulted in this sequent
642 \begin{grafite}
643   n : nat
644   m : nat
645   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
646   ============================
647    m = 0
648 \end{grafite}
649 \noindent
650 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
651 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
652 the head of the application (since the unification is essentially
653 first-order) but normally operate on the arguments. 
654 This works for some tactics, like rewrite and replace,
655 but for example not for change and other tactics that do not relay on
656 unification. 
657
658 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
659 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
660 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
661 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
662 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
663 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
664 only way to tell the system exactly what you want to do. 
665
666 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
667 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
668 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
669
670 \subsection{Tacticals}
671 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
672 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
673 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
674 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
675 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
676 them.
677
678 \subsubsection{Tacticals overview}
679
680 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
681 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
682 The following simple example shows three tacticals in action
683 \begin{grafite}
684 theorem trivial: 
685   \forall A,B:Prop. 
686     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
687   intros (A B H).
688   split; intro; 
689     [ rewrite < H. assumption.
690     | rewrite > H. assumption.
691     ]
692 qed.
693 \end{grafite}
694
695 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
696 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
697 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
698 we have two goals, the two sides of the logic and).
699 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
700 is proved by the first sequence of tactics
701 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
702 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
703 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
704 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
705 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
706 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
707 delimiter of commands the proof assistant executes).
708
709 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
710 to read without the interactive tool. To help the reader in
711 understanding the following considerations we just give few common
712 usage examples without a proof context.
713
714 \begin{grafite}
715   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
716   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
717 \end{grafite}
718
719 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
720 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
721 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
722 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
723 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
724 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
725 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
726 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
727
728 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
729 compositions of tacticals and in particular they are a single
730 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
731 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
732 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
733 a single statement.
734
735 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
736 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
737 maintainability and readability. 
738
739 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
740 compatibility is a really time consuming task. \\
741 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
742 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
743 were not opening goals in the expected order. In particular the
744 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
745 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
746 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
747 but some theorems about integers were there. The inductive type of
748 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
749 induction proofs on this type where written without tacticals and,
750 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
751 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
752 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
753 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
754 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
755 the proofs was structured with the branch tactical this task could
756 have been done automatically. 
757
758 From this experience we learned that the use of tacticals for
759 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
760 proof script readability. We must highlight that proof scripts
761 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
762 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
763 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
764 for two different theorems to have the same proof script (while the
765 proof is completely different).\\
766 Bad readability is not a big deal for the user while he is
767 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
768 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
769 workaround commonly used to read a script is to execute it again
770 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
771 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
772 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
773 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
774 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
775 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
776 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
777 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
778 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
779
780 Now we can understand the tradeoff between script readability and
781 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
782 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
783 they are executed.
784
785 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
786 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
787 making it impossible to read them again.
788
789 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
790
791 \begin{table}
792  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
793 \hrule
794 \[
795 \begin{array}{@{}rcll@{}}
796   \NT{punctuation} & 
797     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
798   \NT{block\_kind} & 
799     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
800   \NT{block\_delimiter} & 
801     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
802   \NT{tactical} & 
803     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
804 \end{array}
805 \]
806 \hrule
807 \end{table}
808
809 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
810 While one would expect to find structured constructs like 
811 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
812 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
813
814 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
815 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
816 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
817 even being a so simple idea:
818 \begin{description}
819 \item[Proof structuring] 
820   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
821   are using classical tacticals in one of the state of the
822   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
823   After applying the induction principle you have to choose: structure
824   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
825   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
826   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
827   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
828   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
829   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
830   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
831   the already executed script you have to undo one step.
832   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
833   the proof and write a plain list of tactics.\\
834   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
835   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
836   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
837   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
838   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
839   structured proof. \\
840   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
841   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
842   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
843   
844 \item[Rereading]
845   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
846   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
847   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
848   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
849   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
850   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
851   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
852   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
853   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
854   goal) gives you the feeling of what is going on.
855 \end{description}
856
857
858 \acknowledgements
859 We would like to thank all the students that during the past
860 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
861 the development of Matita, and in particular
862 A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
863 V.Tamburrelli.
864
865 \theendnotes
866
867 \bibliography{matita}
868
869
870 \end{document}
871