]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
section re-ordering
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[draft]{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{\COQIDE}{CoqIde}
22 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
23 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
24 \newcommand{\HELM}{Helm}
25 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
26 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
27 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
28 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
29 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
30 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
31 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
32 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
33 \newcommand{\MATITA}{Matita}
34 \newcommand{\MATITAC}{\texttt{matitac}}
35 \newcommand{\MATITADEP}{\texttt{matitadep}}
36 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
37 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
38 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
39 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
40 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
41 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
42 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
43 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
44 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
45 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
46 \newcommand{\GETTER}{Getter}
47 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
48 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
49 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
50 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
51 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
52 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
53 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
54 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
55 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
56 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
57 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
58
59 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
60 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
61 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
62 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
63
64 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
65 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
66  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
67  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
68   \begin{center}
69    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
70   \end{center}}
71
72 \newcounter{example}
73 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
74  {}
75 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
76 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
77 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
78 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
79 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
80
81 \newcounter{pass}
82 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
83
84 \newsavebox{\tmpxyz}
85 \newcommand{\sequent}[2]{
86   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
87     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
88       \ensuremath{#1} \\
89       \rule{3cm}{0.03cm}\\
90       \ensuremath{#2}
91     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
92   \begin{center}
93    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
94   \end{center}}
95
96 \bibliographystyle{plain}
97
98 \begin{document}
99
100 \begin{opening}
101
102  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
103
104 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
105 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
106 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
107 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
108 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
109  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
110
111 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
112 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
113
114 % \date{data}
115
116 \begin{motto}
117 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
118 \end{motto}
119
120 \begin{abstract}
121  abstract qui
122 \end{abstract}
123
124 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
125 Digital Libraries}
126
127 \end{opening}
128
129 \tableofcontents
130
131 \section{Introduction}
132 \label{sec:intro}
133 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
134 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
135 Prof.~Asperti. \\
136 The paper describes the overall architecture of
137 the system, focusing on its most distintive and innovative 
138 features.
139
140 \subsection{Historical Perspective}
141 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
142 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
143 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
144 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
145 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
146 have been also conducted with other systems, and notably 
147 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
148 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
149 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
150 following steps:
151 \begin{itemize}
152 \item exporting the information from the internal representation of
153  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
154 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
155 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
156 of the library were the the main components around which everything else 
157 has to be build;
158 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
159  queries to the library; 
160 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
161 %search engine, described in~\cite{whelp};
162 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
163 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
164 active in the MathML Working group since 1999.}; 
165 %and developed inside
166 %\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
167 %which can be integrated in any application.
168 \end{itemize}
169
170 According to our content-centric commitment, the library exported from
171 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
172 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
173 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
174
175 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
176 to a set of software libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
177 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
178 tools and software libraries:
179 \begin{itemize}
180 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
181 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
182 \cite{exportation-module};
183 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
184 XML knowledge base;
185 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
186 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
187 logically relevant content;
188 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
189 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
190 mathematical notation \cite{disambiguation};
191 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
192 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
193 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
194 language \cite{remathematization};
195 \item an innovative, MathML-compliant rendering widget for the GTK 
196 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
197 high-quality bidimensional
198 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
199 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
200 a different text area.
201 \end{itemize}
202 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
203 too far away: essentially, we ``just'' had to
204 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
205 overall management of the library, integrating everything into a
206 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
207
208 \subsection{Relationship with \COQ{}}
209
210 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
211 more the effect of the circumstances of its creation described 
212 above than the result of a deliberate design. In particular, we
213 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
214 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
215 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
216 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
217 two systems.
218
219 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
220 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
221 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
222 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
223 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
224 we could furtherly reduce our code in sensible way).
225
226 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
227 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
228 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
229
230 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
231 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
232 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
233 the parser for ambiguous mathematical notation.
234
235 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
236 historically. \COQ{} is a quite old
237 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
238 several developers have took over the code and several new research ideas
239 that were not considered in the original architecture have been experimented
240 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
241 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
242 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
243 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
244 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
245 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
246 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
247 of the code.
248
249 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
250 we have took advantage of the research results and experiences previously
251 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
252 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
253 the code in coherent minimally coupled libraries.
254
255 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
256 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
257 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
258 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
259
260 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
261 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
262 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
263
264 \subsection{The system}
265
266 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''\\
267 ROBA CHE MANCA:
268 \begin{itemize}
269  \item scelta del sistema fondazionale
270  \item sistema indipendente (da \COQ)
271  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
272 \end{itemize}
273
274 \begin{figure}[t]
275  \begin{center}
276 %   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{a.eps}
277   \caption{\MATITA{} screenshot}
278   \label{fig:screenshot}
279  \end{center}
280 \end{figure}
281
282 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
283 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
284 script, on the right the list of open goal is shown using a MathML rendering
285 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
286 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
287 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
288 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
289 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
290 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
291 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
292 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
293
294 In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
295 only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
296 all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
297 visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
298 hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
299 the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
300
301 This methodological assumption has many important consequences
302 which will be discussed in the next section.
303
304 %on one side
305 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
306 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
307 %information; 
308 %on the other it introduces overloading in the use of 
309 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
310 %techniques for interpreting the user inputs.  
311 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
312 %points. 
313
314 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
315 %organized in components which work on data in this format. For instance the
316 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
317 %MathML Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print  ...
318 %FINIRE
319
320 A final section is devoted to some innovative aspects
321 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
322 content selection and copy-paste. 
323
324 \section{Architecture}
325 \label{architettura}
326
327 \begin{figure}[ht]
328  \begin{center}
329   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
330   \caption{\MATITA{} libraries}
331   \label{fig:libraries}
332  \end{center}
333 \end{figure}
334
335 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
336 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
337 project.
338
339 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
340 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
341 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
342
343 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
344 at different scales. Applications that require only a few functionalities
345 depend on a restricted set of \components{}.
346
347 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
348 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
349 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
350 elsewhere. In particular:
351 \begin{itemize}
352  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
353    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
354    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
355    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
356    distributed on the network. More information on the Getter can be found
357    in~\cite{zack-master}.
358  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
359    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
360    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
361    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
362    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
363    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
364    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
365    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
366    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
367    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
368  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
369    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
370    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
371    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
372    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
373    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
374  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
375    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
376    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
377    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
378    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
379    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
380  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
381    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
382    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
383 \end{itemize}
384
385 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
386 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
387 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
388 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
389 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
390 is just a wrapper to the \GETTER \component{} that allows the
391 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
392 of the \GETTER \component, or it can use a stub library with the same
393 API that forwards every request to the Getter.
394
395 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
396 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
397 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
398 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
399 formulae, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
400 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
401 a different set of functionalities. The four different levels are:
402 fully specified terms; partially specified terms; 
403 content level terms; presentation level terms.
404
405 \subsection{Fully specified terms}
406 \label{fully-spec}
407  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
408    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
409    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
410    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
411    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
412    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
413    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
414    consumption.
415
416    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
417    and provides a parser for terms stored in an XML format.
418
419    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
420    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
421    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
422    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
423    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
424
425    Terms may reference other mathematical notions in the library.
426    One commitment of our project is that the library should be physically
427    distributed. The \GETTER \component{} manages the distribution,
428    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
429    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
430    data type and several utility functions over URIs. The
431    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER
432    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
433    notion referenced by a term that is being type-checked. 
434
435    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
436    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
437
438    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
439    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
440    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
441    mathematical formula. Thus we need to collect metadata over the fully
442    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
443    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
444    a simplified
445    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
446    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
447    metadata
448    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
449    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
450    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
451    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
452    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
453    (that will be described later on and that is implemented in the
454     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
455    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
456    candidates. The process that has issued the query is responsible of
457    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
458    out false matches if interested in doing so.
459
460    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
461    the \texttt{whelp} \component.
462
463    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
464    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
465    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
466    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
467    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
468    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
469    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
470    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
471    
472 \subsection{Partially specified terms}
473 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
474 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
475 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
476 linearly. The latters may occur multiple times and are called
477 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
478 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
479 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
480 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
481 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
482 value for the variable bound by the hypothesis.
483
484 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
485 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
486 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
487 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
488 partially specified term well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
489 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
490 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
491 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
492 as few as possible metavariables that occur in them.
493
494 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
495 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
496 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
497 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
498 prove.
499
500 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
501 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
502 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
503 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
504 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
505
506 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
507 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
508 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
509 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
510 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
511 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
512 previous statuses.
513
514 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
515 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
516 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
517 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
518 information that can be inferred by the refiner.
519
520 \subsection{Content level terms}
521 \label{sec:contentintro}
522
523 The language used to communicate proofs and expecially formulae with the
524 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
525 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
526 ambiguity that the mathematical language provides.
527
528 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
529 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
530 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
531 or for their computational properties. For instance equality over real
532 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
533 rational numbers.
534
535 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
536 properties without caring about their representation. However the computational
537 properties of addition over the binary representation are very different from
538 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
539 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
540
541 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
542 very precise on the types he is using and their representation. However,
543 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
544 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
545 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
546 the \emph{content level} representation of formulae.
547
548 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
549 to content level terms and the other way around. The first translation can also
550 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
551 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
552
553 The translation from partially specified terms to content level terms must
554 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
555 formulae. The firsts are translated to a content level representation of
556 proof steps that can easily be rendered in natural language. The representation
557 adopted has greatly influenced the OMDoc~\cite{omdoc} proof format that is now
558 isomorphic to it. Terms that represent formulae are translated to MathML
559 Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C standard
560 for the representation of content level formulae in an XML extensible format.
561
562 The translation to content level is implemented in the
563 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
564 specified terms}, that are maximally unshared
565 partially specified terms enriched with additional typing information for each
566 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
567 proofs and terms that represent formulae. Part of it is also stored at the
568 content level since it is required to generate the natural language rendering
569 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
570 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
571 two different positions we need to associate different typing informations.
572 This association is made easier when the term is represented as a tree since
573 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
574 the typing information using a map on the identifiers.
575 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
576 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
577 in the library in their annotated form.
578
579 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
580 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
581 the reverse translation for formulae. The mapping from
582 content level formulae to partially specified terms is not unique due to
583 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
584 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
585 every ambiguous formula one partially specified term. The
586 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
587 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
588 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
589 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
590 obtained using the interpretation is refinable.
591
592 In the last section we have described the semantics of a command as a
593 function from status to status. We also suggested that the formulae in a
594 command are encoded as partially specified terms. However, consider the
595 command ``\texttt{replace} $x$ \texttt{with} $y^2$''. Until the occurrence
596 of $x$ to be replaced is located, its context is unknown. Since $y^2$ must
597 replace $x$ in that context, its encoding as a term cannot be computed
598 until $x$ is located. In other words, $y^2$ must be disambiguated in the
599 context of the occurrence $x$ it must replace.
600
601 The elegant solution we have implemented consists in representing terms
602 in a command as function from a context to a partially refined term. The
603 function is obtained by partially applying our disambiguation function to
604 the content term to be disambiguated. Our solution should be compared with
605 the one adopted in the Coq system (where ambiguity is only relative to
606 DeBrujin indexes). In Coq variables can be bound either by name or by
607 position. This makes more complex every operation over terms (i.e. according
608 to our architecture every module that depends on \texttt{cic}). Moreover,
609 this solution cannot cope with other forms of ambiguity (as the meaning
610 of the $~^2$ exponent in the previous example that depends on the context).
611
612 \subsection{Presentation level terms}
613
614 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
615 formulae and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
616 is called \emph{presentation level}.
617
618 The main important difference between the content level language and the
619 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
620 the presentation level language is a finite language that comprises all
621 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
622 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
623
624 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
625 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
626 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
627 visually
628 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
629 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
630 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
631 BoxML.
632
633 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
634 translation from content level terms to presentation level terms. The
635 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
636 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
637 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
638 presentation
639 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
640 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
641 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
642 selection}.
643
644 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
645 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
646 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
647 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
648 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
649 fully specified term.
650 Once the rendering of a lower level term is
651 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
652 lower level term. An example of applications of semantic selection is
653 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
654 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
655 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
656 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
657
658 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
659 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
660 Differently from the translation from content level terms to partially
661 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
662 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
663 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
664 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
665 This means that the user must fix once and for all the associativity and
666 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
667 does not seem too strong. The reason is that the target of the
668 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
669 to every content level term several different interpretations (as a
670 partially specified term).
671
672 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
673 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
674 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
675 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
676 of commands to declare and activate new notations and it implements the
677 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
678 actions. Among the commands there are hints to the
679 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
680 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
681
682 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
683 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
684 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
685 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
686 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
687 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
688 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
689 level, it invokes the already described parser for terms contained in
690 \texttt{content\_pres}.
691
692 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
693 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
694 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
695 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
696 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
697 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
698 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
699 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
700
701 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
702 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
703 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
704 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
705 it to the presentation level passing through the content level. Finally
706 it returns the result document to be rendered by the user's
707 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
708
709
710 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
711 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
712 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
713 services missing from the standard library of the programming language.
714 %In particular, the \texttt{xml} \component{} is used to easily represent,
715 %parse and pretty-print XML files.
716
717 \section{Library Management}
718
719 \subsection{Indexing and searching}
720
721
722 \subsection{Compilation and cleaning}
723 \label{sec:libmanagement}
724
725 %
726 %goals: consentire sviluppo di una librearia mantenendo integrita' referenziale e usando le teconologie nostre (quindi con metadati, XML, libreria visibile)
727 %\subsubsection{Composition}
728 %scripts.ma, .moo, XML, metadata
729 %\subsubsection{Compilation}
730 %analogie con compilazione classica dso.\\
731 %granularita' differenti per uso interattivo e non
732 %\paragraph{Batch}
733 %- granularita' .ma/buri \\
734 %-- motivazioni\\
735 %- come si calcolano le dipendenze\\
736 %- quando la si usa\\
737 %- metodi (cc e clean)\\
738 %- garanzie
739 %\paragraph{Interactive}
740 %- granularita' fine\\
741 %-- motivazioni
742 %\label{sec:libmanagement}
743 %consistenza: integrita' referenziale
744 %Goals: mantenere consistente la rappresentazione della libreria su
745 %memoria persistente consentendo di compilare e pulire le compilation
746 %unit (.ma).\\
747 %Vincoli: dipendenze oggetti-oggetti e metadati-oggetti\\
748 %Due livelli di gestione libreria, uno e' solo in fase interattiva dove la compilazione e' passo passo: \\
749 %--- granularita' oggetto per matita interactive\\
750 %--- granularita' baseuri (compilation unit) per la libreria\\
751 %In entrmbi i casi ora:\\
752 %--- matitaSync: add, remove, timetravel(facility-macro tra 2 stati)[obj]\\
753 %--- matitaCleanLib: clean\_baseuri (che poi usa matitaSync a sua volta)[comp1]\\
754 %Vincoli di add: typecheck ( ==$>$ tutto quello che usa sta in lib)\\
755 %Vincoli di remove: \\
756 %--- la remove di mSync non li controlla (ma sa cosa cancellare per ogni uri)\\
757 %--- la clean\_baseuri calcola le dipendenze con i metadati (o anche i moo direi) e li rispetta\\
758 %Undo di matita garantisce la consistenza a patto che l'history che tiene sia ok\\
759 %Undo della lib (mClean) garantisce la consistenza (usando moo o Db).\\
760
761 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
762 preserves the consistency and the availability of the library
763 using the \WHELP{} technology, in response to the user addition or 
764 removal of mathematical objects.
765
766 As already sketched in \ref{fully-spec} the output of the
767 compilation of a script is split among two storage media, a
768 classical filesystem and a relational database. The former is used to
769 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
770 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
771 while the latter is used to store all the metadata needed by
772 \WHELP{}.
773
774 While the consistency of the data store in the two media has
775 nothing to do with the nature of
776 the content of the library and is thus uninteresting (but really
777 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
778 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
779 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
780 already proved theorems). 
781
782 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
783 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
784 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
785 without loosing the feeling of an always visible and browsable
786 library.
787
788 \subsubsection{Compilation}
789
790 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
791 it depends only on well typed objects available in the library,
792 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
793 the library is preserved. We have only to find the right order of
794 compilation of the scripts that compose the user development.
795
796 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
797 that takes in input the list of files that compose the development and
798 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
799 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
800 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
801 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
802 related tasks, including dependencies calculation.
803 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
804 inclusions of other parts of the development or for explicit
805 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
806 \ref{sec:disambaliases}). 
807
808 The output of the compilation is immediately available to the user
809 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
810 user-specific area of the database where the search engine has read
811 access, and all the automated tactics that operates on the whole
812 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
813
814 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
815 to compile again the same script, maybe after the removal of a
816 theorem. Here the policy is simple: clean the output before recompiling.
817 As we will see in the next section cleaning will ensure that
818 there will be no theorems in the development that depends on the
819 removed items.
820
821 \subsubsection{Cleaning}
822
823 With the term ``cleaning'' we mean the process of removing all the
824 results of an object compilation. In order to keep the consistency of
825 the library, cleaning an object requires the (recursive) cleaning
826 of all the objects that depend on it (\emph{reverse dependencies}).
827
828 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
829 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
830 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
831 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
832 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
833 database.
834
835 The latter is a fall-back in case the database is not
836 available.\footnote{Due to the complex deployment of a large piece of
837 software like a database, it is a common practice for the \HELM{} team
838 to use a shared remote database, that may be unavailable if the user
839 workstation lacks network connectivity.} This facility has to be
840 intended only as a fall-back, since the queries of the \WHELP{}
841 technology depend require a working database.
842
843 Cleaning guarantees that if an object is removed there are no dandling
844 references to it, and that the part of the library still compiled is
845 consistent. Since cleaning involves the removal of all the results of
846 the compilation, metadata included, the library browsable trough the
847 \WHELP{} technology is always kept up to date.
848
849 \subsubsection{Batch vs Interactive}
850
851 \MATITA{} includes an interactive graphical interface and a batch
852 compiler (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
853 user, the latter is automatically invoked when a
854 part of the user development is required (for example issuing an
855 \texttt{include} command) but not yet compiled.
856
857 While they share the same engine for compilation and cleaning, they
858 provide different granularity. The batch compiler is only able to
859 compile a whole script and similarly to clean only a whole script
860 (together with all the other scripts that rely on an object defined in
861 it). The interactive interface is able to execute single steps of
862 compilation, that may include the definition of an object, and
863 similarly to undo single steps. Note that in the latter case there is
864 no risk of introducing dangling references since the \MATITA{} user
865 interface inhibit undoing a step which is not the last executed.
866
867 \subsection{Automation}
868
869 \subsection{Naming convention}
870 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
871 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
872 our studies about metadata for statements. 
873 The convention is only applied to identifiers for theorems 
874 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
875 The basic rules are the following:
876 \begin{itemize}
877 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
878 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
879 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
880 separated by an underscore,
881 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
882 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
883 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
884 single or duoble apostrophe.
885
886 \end{itemize}
887 Take for instance the theorem
888 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
889 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
890 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
891 Similarly, consider the theorem 
892 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
893 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
894 while \verb+lt_le+ is not.\\
895 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
896 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
897 The correct approach, 
898 in this case, is the following. You should start with defining the 
899 symmetric property for relations
900
901 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
902
903 Then, you may state the symmetry of equality as
904 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
905 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
906 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
907 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
908 forcing the user to define abstract notions and properties before 
909 using them (and formalizing such use).
910
911 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
912 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
913 theorems of the shape
914 $\forall P,\dots.P(t)$.
915 In this case you may replace the conclusion with the word
916 ``elim'' or ``case''.
917 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
918 induction principle.
919
920 The other special case is that of statements whose conclusion is a
921 match expression. 
922 A typical example is the following
923 \begin{verbatim}
924   \forall n,m:nat. 
925       match (eqb n m) with
926         [ true  \Rightarrow n = m 
927         | false \Rightarrow n \neq m]
928 \end{verbatim}
929 where $eqb$ is boolean equality.
930 In this cases, the name can be build starting from the matched
931 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
932 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
933
934 \section{User interface}
935
936 \subsection{Disambiguation}
937 \label{sec:disambiguation}
938
939 Software applications that involve input of mathematical content should strive
940 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
941 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
942 Being that drift in general very large when inputing
943 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
944 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
945 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
946 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
947 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
948
949 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
950 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
951 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
952 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
953 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
954 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
955 expressiveness.
956
957 \subsubsection{Disambiguation aliases}
958 \label{sec:disambaliases}
959 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
960 (Peano) natural numbers.
961
962 \begin{grafite}
963 include "nat/nat.ma".
964 ..
965 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
966   \lambda n, m. m < n.
967 \end{grafite}
968
969 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
970 defining the notion of natural numbers should be defined before
971 processing the what follows. Note indeed that the algorithm presented
972 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
973 expressions come from, since it is application-specific. As a first
974 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
975 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
976 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
977 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
978
979 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
980 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
981 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
982 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
983 both type and body are easily disambiguated.
984
985 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
986 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
987 course overload the \OP{<} operator):
988
989 \begin{grafite}
990 include "Z/z.ma".
991 ..
992 theorem Zlt_compat:
993   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
994 \end{grafite}
995
996 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
997 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
998 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
999 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
1000 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
1001 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
1002 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
1003 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
1004 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
1005 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
1006
1007 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
1008 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
1009 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
1010 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
1011 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
1012 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
1013 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
1014 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
1015 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
1016 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
1017 choosed):
1018
1019 \begin{grafite}
1020 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
1021 theorem Zlt_compat:
1022   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1023 \end{grafite}
1024
1025 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
1026 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
1027 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
1028 Consider for example:
1029
1030 \begin{grafite}
1031 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
1032 \end{grafite}
1033
1034 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1035 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1036 refinable partially specified term matching the term could be found.
1037
1038 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1039 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1040 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1041 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1042 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1043 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1044 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1045 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1046 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1047 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1048 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1049
1050 \subsubsection{Operator instances}
1051
1052 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1053 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1054 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1055
1056 \begin{grafite}
1057 include "Z/z.ma".
1058 include "nat/orders.ma".
1059 ..
1060 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1061   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1062 \end{grafite}
1063
1064 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1065 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1066 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1067 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
1068 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1069 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1070 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1071 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1072 \emph{fresh instances}.
1073
1074 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1075 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1076 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1077 attempting a non-fresh one.
1078
1079 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
1080 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
1081 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
1082 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
1083 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
1084 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
1085 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
1086 aliases} and \MATITA{} doesn't use it to disambiguate further terms down in the
1087 script.
1088
1089 \subsubsection{Implicit coercions}
1090
1091 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1092
1093 \begin{grafite}
1094 theorem power_deriv:
1095   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1096 \end{grafite}
1097
1098 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1099 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1100 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1101 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1102 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1103 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1104 level term, it will return a partially specified term where in place of
1105 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1106 (assuming it has been defined as such of course).
1107
1108 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1109 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1110 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1111 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1112 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1113 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1114 coercion-enabled pass.
1115
1116 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1117 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1118 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1119 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1120 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1121 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1122 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1123 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1124 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
1125 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
1126 attempting passes with implicit coercions.
1127
1128 \subsubsection{Disambiguation passes}
1129
1130 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
1131 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}.  In
1132 our experience that choice implements a good trade off among disambiguation time
1133 and admitted ambiguity in terms input by users.
1134
1135 \begin{table}[ht]
1136  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
1137  \label{tab:disambpasses} 
1138  \begin{center}
1139   \begin{tabular}{c|c|c|c}
1140    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1141    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1142    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1143    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1144    \hline
1145    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
1146    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
1147    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
1148    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
1149    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
1150    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
1151    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
1152   \end{tabular}
1153  \end{center}
1154 \end{table}
1155
1156 \subsection{Patterns}
1157
1158 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
1159 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
1160 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
1161 tattichini.\\
1162
1163 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
1164 selection.
1165
1166 \MATITA{} benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
1167 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
1168 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
1169 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
1170 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
1171 script is not obvious.\\
1172 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
1173
1174 \subsubsection{Pattern syntax}
1175 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
1176 $\NT{wanted}$.
1177 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
1178 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
1179 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
1180
1181 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
1182 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
1183 \begin{table}
1184  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
1185 \hrule
1186 \[
1187 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1188   \NT{pattern} & 
1189     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
1190   \NT{sequent\_path} & 
1191     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1192       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1193   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1194   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1195 \end{array}
1196 \]
1197 \hrule
1198 \end{table}
1199
1200 \subsubsection{How patterns work}
1201 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
1202 selects roots (subterms) of the sequent, using the
1203 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
1204 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
1205 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
1206 conclusion.
1207
1208 \begin{description}
1209 \item[Phase 1]
1210   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1211   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1212   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1213   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1214   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1215   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1216   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1217   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1218   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1219   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1220   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1221
1222   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
1223   is allowed.
1224   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1225   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1226   selects the whole term, is simply $\%$.
1227   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1228   that respectively select the first argument of an application or
1229   the source of an arrow and the head of the application that is
1230   found in the arrow target.
1231
1232   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
1233   their context that will be eventually used in the second phase.
1234
1235 \item[Phase 2] 
1236   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
1237   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1238   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1239   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1240   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
1241   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1242   pattern represents.
1243
1244 \end{description}
1245
1246 \noindent
1247 Since the first step is equipotent to the composition of the two
1248 steps, the system uses it to represent each visual selection.
1249 The second step is only meant for the
1250 experienced user that writes patterns by hand, since it really
1251 helps in writing concise patterns as we will see in the
1252 following examples.
1253
1254 \subsubsection{Examples}
1255 To explain how the first step works let's give an example. Consider
1256 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1257 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
1258 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1259 Typing
1260 \begin{grafite}
1261 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1262   intros (n m H).
1263 \end{grafite}
1264 \noindent
1265 leads you to the following sequent 
1266 \sequent{
1267 n:nat\\
1268 m:nat\\
1269 H: m + n = n}{
1270 m=O
1271 }
1272 \noindent
1273 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
1274 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
1275 \begin{grafite}
1276   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1277 \end{grafite}
1278 \noindent
1279 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
1280 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
1281 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
1282 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
1283 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
1284 and left to the system the burden of writing down in the script file the
1285 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
1286 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
1287 the type $nat$ in this example).
1288
1289 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
1290 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
1291 a simpler pattern that uses the second phase.
1292 \begin{grafite}
1293   change in match n in H with (O + n).
1294 \end{grafite}
1295 \noindent
1296 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1297 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
1298 $\alpha$-equivalence. The resulting
1299 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
1300 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
1301
1302 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
1303 following one, that is less readable but uses only the first phase.
1304 \begin{grafite}
1305   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1306 \end{grafite}
1307 \noindent
1308
1309 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1310 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1311 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1312 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1313
1314 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1315 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1316 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1317 con una pattern\_of(select(pattern))}
1318
1319 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1320 \COQ{} has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
1321 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1322 a term occurrence.
1323
1324 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
1325 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
1326 the second is to prepare the sequent with another tactic called
1327 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
1328 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1329 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1330
1331 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1332 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1333 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
1334 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1335 is
1336 \begin{grafite}
1337   change n at 2 in H with (O + n)
1338 \end{grafite} 
1339 \noindent
1340 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1341 second we encounter proceeding from left toright.
1342
1343 The tactic pattern computes a
1344 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1345 occurrences of the given term. In the previous example the following
1346 command
1347 \begin{grafite}
1348   pattern n at 2 in H
1349 \end{grafite}
1350 \noindent
1351 would have resulted in this sequent
1352 \begin{grafite}
1353   n : nat
1354   m : nat
1355   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1356   ============================
1357    m = 0
1358 \end{grafite}
1359 \noindent
1360 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1361 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1362 the head of the application (since the unification is essentially
1363 first-order) but normally operate on the arguments. 
1364 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1365 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1366 unification. 
1367
1368 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1369 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1370 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1371 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1372 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1373 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1374 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1375
1376 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
1377 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1378 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1379
1380
1381 \subsection{Tacticals}
1382 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1383 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1384 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1385 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
1386 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1387 them.
1388
1389 \subsubsection{Tacticals overview}
1390
1391 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1392 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1393 The following simple example shows three tacticals in action
1394 \begin{grafite}
1395 theorem trivial: 
1396   \forall A,B:Prop. 
1397     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1398   intros (A B H).
1399   split; intro; 
1400     [ rewrite < H. assumption.
1401     | rewrite > H. assumption.
1402     ]
1403 qed.
1404 \end{grafite}
1405
1406 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1407 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1408 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1409 we have two goals, the two sides of the logic and).
1410 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1411 is proved by the first sequence of tactics
1412 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1413 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1414 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1415 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1416 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1417 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1418 delimiter of commands the proof assistant executes).
1419
1420 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1421 to read without the interactive tool. To help the reader in
1422 understanding the following considerations we just give few common
1423 usage examples without a proof context.
1424
1425 \begin{grafite}
1426   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1427   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1428 \end{grafite}
1429
1430 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1431 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1432 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1433 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1434 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1435 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1436 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1437 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1438
1439 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1440 compositions of tacticals and in particular they are a single
1441 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1442 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1443 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1444 a single statement.
1445
1446 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1447 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1448 maintainability and readability. 
1449
1450 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1451 compatibility is a really time consuming task. \\
1452 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1453 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1454 were not opening goals in the expected order. In particular the
1455 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1456 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1457 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1458 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1459 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1460 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1461 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1462 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1463 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1464 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1465 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1466 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1467 have been done automatically. 
1468
1469 From this experience we learned that the use of tacticals for
1470 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1471 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1472 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1473 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1474 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1475 for two different theorems to have the same proof script (while the
1476 proof is completely different).\\
1477 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1478 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1479 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1480 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1481 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1482 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1483 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1484 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1485 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1486 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1487 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1488 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1489 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1490
1491 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1492 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1493 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1494 they are executed.
1495
1496 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1497 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1498 making it impossible to read them again.
1499
1500 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1501
1502 \begin{table}
1503  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1504 \hrule
1505 \[
1506 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1507   \NT{punctuation} & 
1508     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1509   \NT{block\_kind} & 
1510     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1511   \NT{block\_delimiter} & 
1512     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1513   \NT{tactical} & 
1514     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1515 \end{array}
1516 \]
1517 \hrule
1518 \end{table}
1519
1520 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1521 While one would expect to find structured constructs like 
1522 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1523 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1524 execution.
1525
1526 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1527 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1528 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1529 even being a so simple idea:
1530 \begin{description}
1531 \item[Proof structuring] 
1532   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1533   are using classical tacticals in one of the state of the
1534   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1535   After applying the induction principle you have to choose: structure
1536   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1537   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1538   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1539   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1540   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1541   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1542   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1543   the already executed script you have to undo one step.
1544   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1545   the proof and write a plain list of tactics.\\
1546   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1547   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1548   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1549   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1550   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1551   structured proof. \\
1552   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1553   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1554   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1555   
1556 \item[Rereading]
1557   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1558   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1559   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1560   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1561   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1562   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1563   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1564   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1565   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1566   goal) gives you the feeling of what is going on.
1567 \end{description}
1568
1569 \section{Standard library}
1570
1571 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1572 can be read, checked and referenced in further developments. 
1573 However, in order to test the actual usability of the system, a
1574 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1575 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1576 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1577 \COQ{} objects. 
1578 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1579 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1580 Eulers' totient function $\phi$.
1581 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1582 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1583 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1584 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1585 in Figure\ref{scripts}
1586 \begin{figure}[htb]
1587 $\begin{array}{lll}
1588 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1589 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1590 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1591 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1592 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1593 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1594 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1595 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1596 totient.ma& & \\
1597 \end{array}$
1598 \caption{\label{scripts}\MATITA{} scripts on natural numbers}
1599 \end{figure}
1600
1601 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1602 as most of the systems do. On the contary we are currently
1603 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1604 development of the library, encouraging people to expand, 
1605 modify and elaborate previous contributions.
1606
1607 \section{Conclusions}
1608
1609 \acknowledgements
1610 We would like to thank all the students that during the past
1611 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1612 the development of \MATITA{}, and in particular
1613 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1614 and V.~Tamburrelli.
1615
1616 \theendnotes
1617
1618 \bibliography{matita}
1619
1620 \end{document}
1621