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Da capo (matita2.tex).
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
17 \newcommand{\COQ}{Coq}
18 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
19 \newcommand{\HELM}{Helm}
20 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
21 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
22 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
23 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
24 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
25 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
26 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
27 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
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}}
33 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
34 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
35 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
36 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
37 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
38 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
39 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
40 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
41 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
42 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
43 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
44 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
45 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
46 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
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48 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
49 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
50
51 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
52 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
53 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
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55 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
56 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
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58  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
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62
63 \newcounter{example}
64 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
65  {}
66 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
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70 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
71
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73 \newcommand{\sequent}[2]{
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82   \end{center}}
83
84 \bibliographystyle{plain}
85
86 \begin{document}
87
88 \begin{opening}
89
90  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
91
92 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
93 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
94 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
95 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
96 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
97  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
98
99 \runningtitle{The Matita proof assistant}
100 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
101
102 % \date{data}
103
104 \begin{motto}
105 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
106 \end{motto}
107
108 \begin{abstract}
109  abstract qui
110 \end{abstract}
111
112 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
113 Digital Libraries}
114
115 \end{opening}
116
117 \begin{figure}[t]
118  \begin{center}
119   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{libraries}
120   \caption{\MATITA{} libraries}
121  \end{center}
122  \label{fig:libraries}
123 \end{figure}
124
125 \section{Overview of the Architecture}
126 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{libraries} (circle nodes)
127 and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM project.
128
129 Applications and libraries depend over other libraries forming a
130 directed acyclic graph (DAG). Each library can be decomposed in
131 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
132
133 Modules and libraries provide coherent sets of functionalities
134 at different scales. Applications that require only a few functionalities
135 depend on a restricted set of libraries. \MATITA, our most complex
136 application, depends on every library.
137
138 Only the proof assistant \MATITA{} is an application meant to be used directly
139 by the user. All the other applications are Web services developed in the
140 HELM and MoWGLI projects and already described elsewhere. In particular:
141 \begin{itemize}
142  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
143    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
144    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
145    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
146    distributed on the network. More information on the Getter can be found
147    in~\cite{getter}.
148  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
149    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
150    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
151    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
152    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
153    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
154    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
155    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
156    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
157    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
158  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
159    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
160    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
161    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
162    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
163    Uwobo has been described in~\cite{uwobo}.
164  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
165    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
166    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
167    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
168    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
169    The proof checker has been described in~\cite{proofchecker}.
170  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
171    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
172    The dependency analyzer has been described in~\cite{dependencyanalyzer}.
173 \end{itemize}
174
175 The dependency of a library or application over another library can
176 be satisfied by linking the library in the same executable.
177 For those libraries whose functionalities are also provided by the
178 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
179 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
180 is just a wrapper to the \texttt{getter} library that allows the library
181 to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code of the
182 \texttt{getter} library, or it can use a stub library with the same API
183 that forwards every request to the Getter.
184
185 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
186 library, we can focus on the rappresentation of the mathematical information.
187 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
188 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
189 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
190 four different levels of refinement. On each level it is possible to provide a
191 different set of functionalities. The four different levels are:
192 fully specified terms; partially specified terms; terms
193 at the content level; terms at the presentation level.
194
195 \subsection{Fully specified terms}
196  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
197    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
198    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
199    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
200    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
201    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
202    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
203    consumption.
204
205    The \texttt{cic} library defines the data type that represents CIC terms
206    and provides a parser for terms stored in an XML format.
207
208    The most important library that deals with fully specified terms is
209    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
210    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
211    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
212    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
213
214    Terms may reference other mathematical notions in the library.
215    One commitment of our project is that the library should be physically
216    distributed. The \texttt{getter} library manages the distribution,
217    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
218    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} library provides the URI
219    data type and several utility functions over URIs. The
220    \texttt{cic\_proof\_checking} library calls the \texttt{getter} library
221    every time it needs to retrieve the definition of a mathematical notion
222    referenced by a term that is being type-checked. 
223
224    The Proof Checker is the Web service that provides an HTTP interface
225    to the \texttt{cic\_proof\_checking} library.
226
227    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
228    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
229    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
230    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
231    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
232    database for later usage. The \texttt{hmysql} library provides a simplified
233    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
234    metadata. The \texttt{metadata} library defines the data type of the metadata
235    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
236    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
237    The \texttt{whelp} library implements a search engine that performs
238    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
239    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
240    (that will be described later on and that is implemented in the
241     \texttt{cic\_unification} library). Not performing any actual matching
242    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
243    candidates. The process that has issued the query is responsible of
244    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
245    out false matches if interested in doing so.
246
247    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
248    the \texttt{whelp} library.
249
250 \subsection{Partially specified terms}
251 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
252 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
253 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
254 linearly. The latters may occur multiple times and are called
255 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
256 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
257 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
258 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
259 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
260 value for the term bound by the hypothesis.
261
262 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
263 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
264 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
265 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
266 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
267 in the \texttt{cic\_unification} library. As the type checker is based on
268 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
269 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
270 as few as possible metavariables that occur in them.
271
272 Since terms are use in CIC to represent proofs, so far correct incomplete
273 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
274 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
275 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
276 prove.
277
278 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
279 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
280 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
281 \texttt{tactics} library. It is heavily based on the refinement and unification
282 procedures of the \texttt{cic\_unification} library.
283
284 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
285 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
286 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
287 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
288 information that can be inferred by the refiner.
289
290 \subsection{Terms at the content level}
291
292 \subsection{Terms at the presentation level}
293
294 \hrule
295
296 At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
297 \texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
298 useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
299 to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
300 since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
301 The other basic libraries provide often needed operations over generic
302 data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
303 (the \texttt{registry}).
304
305 \texttt{urimanager}
306
307 \texttt{getter}
308
309 \texttt{cic}
310
311 \acknowledgements
312 We would like to thank all the students that during the past
313 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
314 the development of Matita, and in particular
315 A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
316 V.Tamburrelli.
317
318 \theendnotes
319
320 \bibliography{matita}
321
322
323 \end{document}
324