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