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notation intro
[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}}
47 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
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}}
54
55 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
56 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
57  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
58  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
59   \begin{center}
60    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
61   \end{center}}
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}
67 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
68 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
69 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
70 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
71
72 \newsavebox{\tmpxyz}
73 \newcommand{\sequent}[2]{
74   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
75     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
76       \ensuremath{#1} \\
77       \rule{3cm}{0.03cm}\\
78       \ensuremath{#2}
79     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
80   \begin{center}
81    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
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 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
292 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
293 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
294 ambiguity that the mathematical language provides.
295
296 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
297 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
298 that several equalities can be identified as soon as we care for decidability
299 or for their computational properties. For instance equality over real
300 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
301 rational numbers.
302
303 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
304 properties without caring about their representation. However the computational
305 properties of addition over the binary representation are very different from
306 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
307 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
308
309 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
310 very precise on the types he is using and their representation. However,
311 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
312 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
313 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
314 the \emph{content level} representation of expressions.
315
316 In \MATITA{} we provide two translations from partially refined terms
317 to content level terms and the other way around. The first translation can also
318 be applied to fully refined terms since a fully refined term is a special case
319 of partially refined term where no metavariable or implicit term occurs.
320
321 The translation from partially refined terms to content level terms must
322 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
323 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
324 proofs steps that can easily be rendered in natural language. The latters
325 are translated to MathML Content formulae. MathML Content is a W3C standard
326 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
327
328 The translation to content level is implemented in the
329 \texttt{acic\_to\_content} library. Its input are \emph{annotated partially
330 refined terms}. Annotated partially refined terms are maximally unshared
331 partially refined terms enriched with additional typing information for each
332 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
333 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
334 content level since it is required to generate the natural language rendering
335 of proofs. The \emph{cic\_to\_acic} library annotates partially refined terms.
336
337 The translation from content level terms to partially refined terms is
338 also performed in \ldots ???
339
340 \subsection{Terms at the presentation level}
341
342 \hrule
343
344 At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
345 \texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
346 useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
347 to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
348 since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
349 The other basic libraries provide often needed operations over generic
350 data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
351 (the \texttt{registry}).
352
353 \texttt{urimanager}
354
355 \texttt{getter}
356
357 \texttt{cic}
358
359 \section{Partially specified terms}
360 --- il mondo delle tattiche e dintorni ---
361 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
362 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
363 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
364 tattichini.\\
365
366
367
368 \subsection{Patterns}
369 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
370 selection.
371
372 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
373 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
374 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
375 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
376 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
377 script is not obvious.\\
378 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
379
380 \subsubsection{Pattern syntax}
381 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
382 $\NT{wanted}$.
383 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
384 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
385 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
386
387 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
388 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
389 \begin{table}
390  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
391 \hrule
392 \[
393 \begin{array}{@{}rcll@{}}
394   \NT{pattern} & 
395     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
396   \NT{sequent\_path} & 
397     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
398       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
399   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
400   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
401 \end{array}
402 \]
403 \hrule
404 \end{table}
405
406 \subsubsection{How patterns work}
407 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
408 selects roots (subterms) of the sequent, using the
409 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
410 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
411 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
412 conclusion.
413
414 \begin{description}
415 \item[Phase 1]
416   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
417   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
418   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
419   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
420   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
421   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
422   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
423   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
424   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
425   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
426   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
427
428   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
429   is allowed.
430   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
431   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
432   selects the whole term, is simply $\%$.
433   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
434   that respectively select the first argument of an application or
435   the source of an arrow and the head of the application that is
436   found in the arrow target.
437
438   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
439   their context that will be eventually used in the second phase.
440
441 \item[Phase 2] 
442   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
443   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
444   will see as subterm roots, and their context. For each of these
445   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
446   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
447   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
448   pattern represents.
449
450 \end{description}
451
452 \noindent
453 Since the first step is equipotent to the composition of the two
454 steps, the system uses it to represent each visual selection.
455 The second step is only meant for the
456 experienced user that writes patterns by hand, since it really
457 helps in writing concise patterns as we will see in the
458 following examples.
459
460 \subsubsection{Examples}
461 To explain how the first step works let's give an example. Consider
462 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
463 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
464 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
465 Typing
466 \begin{grafite}
467 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
468   intros (n m H).
469 \end{grafite}
470 \noindent
471 leads you to the following sequent 
472 \sequent{
473 n:nat\\
474 m:nat\\
475 H: m + n = n}{
476 m=O
477 }
478 \noindent
479 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
480 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
481 \begin{grafite}
482   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
483 \end{grafite}
484 \noindent
485 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
486 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
487 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
488 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
489 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
490 and left to the system the burden of writing down in the script file the
491 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
492 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
493 the type $nat$ in this example).
494
495 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
496 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
497 a simpler pattern that uses the second phase.
498 \begin{grafite}
499   change in match n in H with (O + n).
500 \end{grafite}
501 \noindent
502 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
503 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
504 $\alpha$-equivalence. The resulting
505 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
506 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
507
508 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
509 following one, that is less readable but uses only the first phase.
510 \begin{grafite}
511   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
512 \end{grafite}
513 \noindent
514
515 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
516 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
517 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
518 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
519
520 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
521 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
522 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
523 con una pattern\_of(select(pattern))}
524
525 \subsubsection{Comparison with Coq}
526 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
527 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
528 a term occurrence.
529
530 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
531 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
532 the second is to prepare the sequent with another tactic called
533 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
534 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
535 with pattern and do not accept directly this special syntax.
536
537 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
538 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
539 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
540 to change only the left part of the equivalence, the correct command
541 is
542 \begin{grafite}
543   change n at 2 in H with (O + n)
544 \end{grafite} 
545 \noindent
546 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
547 second we encounter proceeding from left toright.
548
549 The tactic pattern computes a
550 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
551 occurrences of the given term. In the previous example the following
552 command
553 \begin{grafite}
554   pattern n at 2 in H
555 \end{grafite}
556 \noindent
557 would have resulted in this sequent
558 \begin{grafite}
559   n : nat
560   m : nat
561   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
562   ============================
563    m = 0
564 \end{grafite}
565 \noindent
566 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
567 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
568 the head of the application (since the unification is essentially
569 first-order) but normally operate on the arguments. 
570 This works for some tactics, like rewrite and replace,
571 but for example not for change and other tactics that do not relay on
572 unification. 
573
574 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
575 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
576 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
577 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
578 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
579 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
580 only way to tell the system exactly what you want to do. 
581
582 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
583 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
584 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
585
586 \subsection{Tacticals}
587 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
588 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
589 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
590 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
591 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
592 them.
593
594 \subsubsection{Tacticals overview}
595
596 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
597 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
598 The following simple example shows three tacticals in action
599 \begin{grafite}
600 theorem trivial: 
601   \forall A,B:Prop. 
602     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
603   intros (A B H).
604   split; intro; 
605     [ rewrite < H. assumption.
606     | rewrite > H. assumption.
607     ]
608 qed.
609 \end{grafite}
610
611 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
612 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
613 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
614 we have two goals, the two sides of the logic and).
615 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
616 is proved by the first sequence of tactics
617 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
618 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
619 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
620 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
621 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
622 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
623 delimiter of commands the proof assistant executes).
624
625 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
626 to read without the interactive tool. To help the reader in
627 understanding the following considerations we just give few common
628 usage examples without a proof context.
629
630 \begin{grafite}
631   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
632   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
633 \end{grafite}
634
635 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
636 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
637 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
638 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
639 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
640 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
641 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
642 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
643
644 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
645 compositions of tacticals and in particular they are a single
646 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
647 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
648 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
649 a single statement.
650
651 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
652 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
653 maintainability and readability. 
654
655 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
656 compatibility is a really time consuming task. \\
657 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
658 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
659 were not opening goals in the expected order. In particular the
660 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
661 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
662 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
663 but some theorems about integers were there. The inductive type of
664 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
665 induction proofs on this type where written without tacticals and,
666 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
667 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
668 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
669 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
670 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
671 the proofs was structured with the branch tactical this task could
672 have been done automatically. 
673
674 From this experience we learned that the use of tacticals for
675 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
676 proof script readability. We must highlight that proof scripts
677 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
678 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
679 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
680 for two different theorems to have the same proof script (while the
681 proof is completely different).\\
682 Bad readability is not a big deal for the user while he is
683 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
684 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
685 workaround commonly used to read a script is to execute it again
686 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
687 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
688 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
689 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
690 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
691 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
692 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
693 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
694 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
695
696 Now we can understand the tradeoff between script readability and
697 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
698 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
699 they are executed.
700
701 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
702 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
703 making it impossible to read them again.
704
705 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
706
707 \begin{table}
708  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
709 \hrule
710 \[
711 \begin{array}{@{}rcll@{}}
712   \NT{punctuation} & 
713     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
714   \NT{block\_kind} & 
715     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
716   \NT{block\_delimiter} & 
717     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
718   \NT{tactical} & 
719     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
720 \end{array}
721 \]
722 \hrule
723 \end{table}
724
725 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
726 While one would expect to find structured constructs like 
727 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
728 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
729
730 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
731 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
732 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
733 even being a so simple idea:
734 \begin{description}
735 \item[Proof structuring] 
736   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
737   are using classical tacticals in one of the state of the
738   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
739   After applying the induction principle you have to choose: structure
740   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
741   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
742   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
743   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
744   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
745   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
746   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
747   the already executed script you have to undo one step.
748   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
749   the proof and write a plain list of tactics.\\
750   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
751   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
752   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
753   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
754   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
755   structured proof. \\
756   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
757   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
758   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
759   
760 \item[Rereading]
761   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
762   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
763   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
764   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
765   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
766   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
767   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
768   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
769   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
770   goal) gives you the feeling of what is going on.
771 \end{description}
772
773
774 \acknowledgements
775 We would like to thank all the students that during the past
776 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
777 the development of Matita, and in particular
778 A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
779 V.Tamburrelli.
780
781 \theendnotes
782
783 \bibliography{matita}
784
785
786 \end{document}
787