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[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[draft]{kluwer}
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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{;}}}}
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46 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
47 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
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49 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
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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}
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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}}
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74
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77
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80   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
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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 teps:
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 for future system, 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; these efforts gave birth to our \WHELP{}
152 search engine, described in~\cite{whelp};
153 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
154 rendering of mathematical information; in particular, we have been 
155 active in the MathML Working group since 1999, and developed inside
156 \HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
157 which can be integrated in any application.
158 \end{itemize}
159
160 According to our content-centric commitment, the library exported from
161 Coq was conceived as being distributed and most of the tools were developed
162 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
163 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
164
165 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
166 to a set of libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
167 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
168 techniques and libraries:
169 \begin{itemize}
170 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
171 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
172 \cite{exportation-module};
173 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
174 XML knowledge base;
175 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
176 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
177 logically relevant content;
178 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
179 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
180 mathematical notation \cite{disambiguation};
181 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
182 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
183 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
184 language \cite{remathematization};
185 \item an innovative rendering widget \cite{padovani}, supporting 
186 high-quality bidimensional
187 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
188 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
189 a different text area.
190 \end{itemize}
191 Starting from all this, the further step of developing our own 
192 proof assistant was too
193 small and too tempting to be neglected. Essentially, we ``just'' had to
194 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
195 overall management of the library, integrating everything into a
196 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
197
198 \subsection{The System}
199 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''
200
201 \begin{itemize}
202  \item scelta del sistema fondazionale
203  \item sistema indipendente (da Coq)
204  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
205 \end{itemize}
206
207 \subsection{Relationship with \COQ{}}
208
209 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
210 more the effect of the circumstances of its creation described 
211 above than the result of a deliberate design. In particular, we
212 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
213 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
214 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
215 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
216 two systems.
217
218 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
219 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
220 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
221 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
222 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
223 we could furtherly reduce our code in sensible way).
224
225 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
226 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
227 916 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
228
229 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
230 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
231 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
232 the parser for ambiguous mathematical notation.
233
234 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
235 historically. \COQ{} is a quite old
236 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
237 several developers have took over the code and several new research ideas
238 that were not considered in the original architecture have been experimented
239 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
240 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
241 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
242 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
243 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
244 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
245 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
246 of the code.
247
248 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
249 we have took advantage of the research results and experiences previously
250 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
251 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
252 the code in coherent minimally coupled libraries.
253
254 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
255 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
256 simple as possible is thus crucial to speed up future experiments and to
257 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
258
259 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
260 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
261 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
262
263 \begin{figure}[t]
264  \begin{center}
265   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
266   \caption{\MATITA{} libraries}
267   \label{fig:libraries}
268  \end{center}
269 \end{figure}
270
271 \section{Overview of the Architecture}
272 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{libraries} (circle nodes)
273 and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM project.
274
275 Applications and libraries depend over other libraries forming a
276 directed acyclic graph (DAG). Each library can be decomposed in
277 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
278
279 Modules and libraries provide coherent sets of functionalities
280 at different scales. Applications that require only a few functionalities
281 depend on a restricted set of libraries.
282
283 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
284 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
285 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
286 elsewhere. In particular:
287 \begin{itemize}
288  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
289    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
290    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
291    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
292    distributed on the network. More information on the Getter can be found
293    in~\cite{zack-master}.
294  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
295    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
296    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
297    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
298    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
299    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
300    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
301    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
302    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
303    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
304  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
305    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
306    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
307    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
308    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
309    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
310  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
311    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
312    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
313    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
314    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
315    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
316  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
317    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
318    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
319 \end{itemize}
320
321 The dependency of a library or application over another library can
322 be satisfied by linking the library in the same executable.
323 For those libraries whose functionalities are also provided by the
324 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
325 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
326 is just a wrapper to the \texttt{getter} library that allows the library
327 to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code of the
328 \texttt{getter} library, or it can use a stub library with the same API
329 that forwards every request to the Getter.
330
331 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
332 library, we can focus on the representation of the mathematical information.
333 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
334 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
335 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
336 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
337 a different set of functionalities. The four different levels are:
338 fully specified terms; partially specified terms; 
339 content level terms; presentation level terms.
340
341 \subsection{Fully specified terms}
342  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
343    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
344    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
345    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
346    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
347    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
348    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
349    consumption.
350
351    The \texttt{cic} library defines the data type that represents CIC terms
352    and provides a parser for terms stored in an XML format.
353
354    The most important library that deals with fully specified terms is
355    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
356    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
357    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
358    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
359
360    Terms may reference other mathematical notions in the library.
361    One commitment of our project is that the library should be physically
362    distributed. The \texttt{getter} library manages the distribution,
363    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
364    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} library provides the URI
365    data type and several utility functions over URIs. The
366    \texttt{cic\_proof\_checking} library calls the \texttt{getter} library
367    every time it needs to retrieve the definition of a mathematical notion
368    referenced by a term that is being type-checked. 
369
370    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
371    to the \texttt{cic\_proof\_checking} library.
372
373    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
374    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
375    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
376    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
377    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
378    database for later usage. The \texttt{hmysql} library provides a simplified
379    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
380    metadata. The \texttt{metadata} library defines the data type of the metadata
381    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
382    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
383    The \texttt{whelp} library implements a search engine that performs
384    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
385    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
386    (that will be described later on and that is implemented in the
387     \texttt{cic\_unification} library). Not performing any actual matching
388    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
389    candidates. The process that has issued the query is responsible of
390    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
391    out false matches if interested in doing so.
392
393    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
394    the \texttt{whelp} library.
395
396 \subsection{Partially specified terms}
397 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
398 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
399 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
400 linearly. The latters may occur multiple times and are called
401 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
402 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
403 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
404 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
405 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
406 value for the term bound by the hypothesis.
407
408 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
409 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
410 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
411 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
412 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
413 in the \texttt{cic\_unification} library. As the type checker is based on
414 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
415 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
416 as few as possible metavariables that occur in them.
417
418 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
419 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
420 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
421 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
422 prove.
423
424 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
425 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
426 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
427 \texttt{tactics} library. It is heavily based on the refinement and unification
428 procedures of the \texttt{cic\_unification} library. \TODO{citare paramodulation
429 da qualche part o toglierla dal grafo}
430
431 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
432 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
433 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
434 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
435 information that can be inferred by the refiner.
436
437 \subsection{Content level terms}
438 \label{sec:contentintro}
439
440 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
441 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
442 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
443 ambiguity that the mathematical language provides.
444
445 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
446 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
447 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
448 or for their computational properties. For instance equality over real
449 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
450 rational numbers.
451
452 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
453 properties without caring about their representation. However the computational
454 properties of addition over the binary representation are very different from
455 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
456 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
457
458 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
459 very precise on the types he is using and their representation. However,
460 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
461 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
462 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
463 the \emph{content level} representation of expressions.
464
465 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
466 to content level terms and the other way around. The first translation can also
467 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
468 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
469
470 The translation from partially specified terms to content level terms must
471 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
472 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
473 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
474 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
475 standard
476 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
477
478 The translation to content level is implemented in the
479 \texttt{acic\_content} library. Its input are \emph{annotated partially
480 specified terms}, that are maximally unshared
481 partially specified terms enriched with additional typing information for each
482 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
483 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
484 content level since it is required to generate the natural language rendering
485 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
486 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
487 two different positions we need to associate different typing informations.
488 This association is made easier when the term is represented as a tree since
489 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
490 the typing information using a map on the identifiers.
491 The \texttt{cic\_acic} library annotates partially specified terms.
492
493 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
494 partially specified terms. But in \texttt{disambiguation} we do provide
495 the reverse translation for expressions. The mapping from
496 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
497 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
498 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
499 every ambiguous expression one partially specified term. The
500 \texttt{disambiguation} library contains the implementation of the
501 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
502 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
503 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
504 obtained using the interpretation is refinable.
505
506 \subsection{Presentation level terms}
507
508 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
509 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
510 is called \emph{presentation level}.
511
512 The main important difference between the content level language and the
513 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
514 the presentation level language is a finite language that comprises all
515 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
516 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
517
518 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
519 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
520 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
521 visually
522 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
523 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
524 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
525 BoxML.
526
527 The \texttt{content\_pres} library contains the implementation of the
528 translation from content level terms to presentation level terms. The
529 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
530 the library. However, in the \texttt{hgdome} library we provide a few
531 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
532 presentation
533 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
534 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
535 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
536 selection}.
537
538 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
539 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
540 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
541 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
542 correspond to a lower\footnote{\TODO{non abbiamo parlato di ``ordine''}} level term. Once the rendering of a lower level term is
543 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
544 lower level term. An example of applications of semantic selection is
545 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
546 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
547 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
548 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
549
550 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
551 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
552 Differently from the translation from content level terms to partially
553 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
554 parsing library we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
555 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
556 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
557 This means that the user must fix once and for all the associativity and
558 precedence level of every operator he is using. In prctice this limitation
559 does not seem too strong. The reason is that the target of the
560 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
561 to every content level term several different interpretations (as a
562 partially specified term).
563
564 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
565 against the \texttt{cic\_disambiguation} and \texttt{content\_pres} libraries
566 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
567 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} library and
568 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} library.
569
570 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} library,
571 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
572 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
573 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
574 it to the presentation level passing through the content level. Finally
575 it returns the result document to be rendered by the user's
576 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
577
578 \hrule
579
580 At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
581 \texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
582 useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
583 to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
584 since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
585 The other basic libraries provide often needed operations over generic
586 data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
587 (the \texttt{registry}).
588
589 \texttt{urimanager}
590
591 \texttt{getter}
592
593 \texttt{cic}
594
595 \section{Partially specified terms}
596 --- il mondo delle tattiche e dintorni ---
597 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
598 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
599 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
600 tattichini.\\
601
602
603
604 \subsection{Patterns}
605 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
606 selection.
607
608 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
609 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
610 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
611 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
612 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
613 script is not obvious.\\
614 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
615
616 \subsubsection{Pattern syntax}
617 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
618 $\NT{wanted}$.
619 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
620 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
621 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
622
623 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
624 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
625 \begin{table}
626  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
627 \hrule
628 \[
629 \begin{array}{@{}rcll@{}}
630   \NT{pattern} & 
631     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
632   \NT{sequent\_path} & 
633     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
634       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
635   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
636   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
637 \end{array}
638 \]
639 \hrule
640 \end{table}
641
642 \subsubsection{How patterns work}
643 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
644 selects roots (subterms) of the sequent, using the
645 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
646 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
647 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
648 conclusion.
649
650 \begin{description}
651 \item[Phase 1]
652   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
653   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
654   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
655   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
656   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
657   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
658   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
659   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
660   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
661   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
662   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
663
664   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
665   is allowed.
666   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
667   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
668   selects the whole term, is simply $\%$.
669   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
670   that respectively select the first argument of an application or
671   the source of an arrow and the head of the application that is
672   found in the arrow target.
673
674   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
675   their context that will be eventually used in the second phase.
676
677 \item[Phase 2] 
678   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
679   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
680   will see as subterm roots, and their context. For each of these
681   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
682   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
683   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
684   pattern represents.
685
686 \end{description}
687
688 \noindent
689 Since the first step is equipotent to the composition of the two
690 steps, the system uses it to represent each visual selection.
691 The second step is only meant for the
692 experienced user that writes patterns by hand, since it really
693 helps in writing concise patterns as we will see in the
694 following examples.
695
696 \subsubsection{Examples}
697 To explain how the first step works let's give an example. Consider
698 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
699 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
700 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
701 Typing
702 \begin{grafite}
703 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
704   intros (n m H).
705 \end{grafite}
706 \noindent
707 leads you to the following sequent 
708 \sequent{
709 n:nat\\
710 m:nat\\
711 H: m + n = n}{
712 m=O
713 }
714 \noindent
715 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
716 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
717 \begin{grafite}
718   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
719 \end{grafite}
720 \noindent
721 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
722 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
723 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
724 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
725 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
726 and left to the system the burden of writing down in the script file the
727 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
728 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
729 the type $nat$ in this example).
730
731 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
732 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
733 a simpler pattern that uses the second phase.
734 \begin{grafite}
735   change in match n in H with (O + n).
736 \end{grafite}
737 \noindent
738 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
739 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
740 $\alpha$-equivalence. The resulting
741 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
742 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
743
744 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
745 following one, that is less readable but uses only the first phase.
746 \begin{grafite}
747   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
748 \end{grafite}
749 \noindent
750
751 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
752 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
753 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
754 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
755
756 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
757 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
758 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
759 con una pattern\_of(select(pattern))}
760
761 \subsubsection{Comparison with Coq}
762 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
763 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
764 a term occurrence.
765
766 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
767 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
768 the second is to prepare the sequent with another tactic called
769 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
770 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
771 with pattern and do not accept directly this special syntax.
772
773 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
774 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
775 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
776 to change only the left part of the equivalence, the correct command
777 is
778 \begin{grafite}
779   change n at 2 in H with (O + n)
780 \end{grafite} 
781 \noindent
782 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
783 second we encounter proceeding from left toright.
784
785 The tactic pattern computes a
786 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
787 occurrences of the given term. In the previous example the following
788 command
789 \begin{grafite}
790   pattern n at 2 in H
791 \end{grafite}
792 \noindent
793 would have resulted in this sequent
794 \begin{grafite}
795   n : nat
796   m : nat
797   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
798   ============================
799    m = 0
800 \end{grafite}
801 \noindent
802 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
803 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
804 the head of the application (since the unification is essentially
805 first-order) but normally operate on the arguments. 
806 This works for some tactics, like rewrite and replace,
807 but for example not for change and other tactics that do not relay on
808 unification. 
809
810 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
811 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
812 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
813 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
814 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
815 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
816 only way to tell the system exactly what you want to do. 
817
818 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
819 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
820 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
821
822 \subsection{Tacticals}
823 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
824 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
825 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
826 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
827 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
828 them.
829
830 \subsubsection{Tacticals overview}
831
832 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
833 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
834 The following simple example shows three tacticals in action
835 \begin{grafite}
836 theorem trivial: 
837   \forall A,B:Prop. 
838     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
839   intros (A B H).
840   split; intro; 
841     [ rewrite < H. assumption.
842     | rewrite > H. assumption.
843     ]
844 qed.
845 \end{grafite}
846
847 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
848 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
849 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
850 we have two goals, the two sides of the logic and).
851 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
852 is proved by the first sequence of tactics
853 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
854 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
855 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
856 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
857 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
858 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
859 delimiter of commands the proof assistant executes).
860
861 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
862 to read without the interactive tool. To help the reader in
863 understanding the following considerations we just give few common
864 usage examples without a proof context.
865
866 \begin{grafite}
867   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
868   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
869 \end{grafite}
870
871 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
872 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
873 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
874 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
875 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
876 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
877 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
878 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
879
880 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
881 compositions of tacticals and in particular they are a single
882 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
883 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
884 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
885 a single statement.
886
887 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
888 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
889 maintainability and readability. 
890
891 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
892 compatibility is a really time consuming task. \\
893 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
894 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
895 were not opening goals in the expected order. In particular the
896 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
897 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
898 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
899 but some theorems about integers were there. The inductive type of
900 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
901 induction proofs on this type where written without tacticals and,
902 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
903 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
904 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
905 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
906 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
907 the proofs was structured with the branch tactical this task could
908 have been done automatically. 
909
910 From this experience we learned that the use of tacticals for
911 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
912 proof script readability. We must highlight that proof scripts
913 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
914 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
915 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
916 for two different theorems to have the same proof script (while the
917 proof is completely different).\\
918 Bad readability is not a big deal for the user while he is
919 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
920 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
921 workaround commonly used to read a script is to execute it again
922 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
923 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
924 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
925 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
926 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
927 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
928 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
929 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
930 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
931
932 Now we can understand the tradeoff between script readability and
933 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
934 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
935 they are executed.
936
937 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
938 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
939 making it impossible to read them again.
940
941 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
942
943 \begin{table}
944  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
945 \hrule
946 \[
947 \begin{array}{@{}rcll@{}}
948   \NT{punctuation} & 
949     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
950   \NT{block\_kind} & 
951     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
952   \NT{block\_delimiter} & 
953     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
954   \NT{tactical} & 
955     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
956 \end{array}
957 \]
958 \hrule
959 \end{table}
960
961 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
962 While one would expect to find structured constructs like 
963 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
964 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
965
966 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
967 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
968 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
969 even being a so simple idea:
970 \begin{description}
971 \item[Proof structuring] 
972   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
973   are using classical tacticals in one of the state of the
974   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
975   After applying the induction principle you have to choose: structure
976   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
977   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
978   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
979   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
980   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
981   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
982   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
983   the already executed script you have to undo one step.
984   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
985   the proof and write a plain list of tactics.\\
986   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
987   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
988   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
989   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
990   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
991   structured proof. \\
992   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
993   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
994   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
995   
996 \item[Rereading]
997   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
998   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
999   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1000   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1001   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1002   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1003   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1004   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1005   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1006   goal) gives you the feeling of what is going on.
1007 \end{description}
1008
1009 \section{Content level terms}
1010
1011 \subsection{Disambiguation}
1012
1013 Software applications that involve input of mathematical content should strive
1014 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
1015 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
1016 Being that drift in general very large when inputing
1017 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
1018 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
1019 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
1020 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
1021 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
1022
1023 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
1024 implemented in the \texttt{disambiguation} library of Fig.~\ref{fig:libraries}
1025 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
1026 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
1027 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
1028 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
1029 expressiveness.
1030
1031 \subsubsection{Disambiguation aliases}
1032
1033 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
1034 (Peano) natural numbers.
1035
1036 \begin{grafite}
1037 include "nat/nat.ma".
1038 ..
1039 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
1040   \lambda n, m. m < n.
1041 \end{grafite}
1042
1043 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
1044 defining the notion of natural numbers should be defined before
1045 processing the following definition. Note indeed that the algorithm presented
1046 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
1047 expressions come from, since it is application-specific. As a first
1048 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
1049 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
1050 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
1051 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
1052
1053 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
1054 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
1055 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
1056 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
1057 both type and body are easily disambiguated.
1058
1059 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
1060 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
1061 course overload the \OP{<} operator):
1062
1063 \begin{grafite}
1064 include "Z/z.ma".
1065 ..
1066 theorem Zlt_compat:
1067   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1068 \end{grafite}
1069
1070 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
1071 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
1072 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
1073 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
1074 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
1075 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
1076 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
1077 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
1078 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
1079 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
1080
1081 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
1082 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
1083 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
1084 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
1085 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
1086 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
1087 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
1088 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
1089 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
1090 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
1091 choosed):
1092
1093 \begin{grafite}
1094 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
1095 theorem Zlt_compat:
1096   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1097 \end{grafite}
1098
1099 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
1100 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
1101 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
1102 Consider for example:
1103
1104 \begin{grafite}
1105 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
1106 \end{grafite}
1107
1108 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1109 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1110 refinable partially specified term matching the term could be found.
1111
1112 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1113 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1114 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1115 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1116 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1117 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1118 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1119 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1120 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1121 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1122 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1123
1124 \subsubsection{Operator instances}
1125
1126 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1127 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1128 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1129
1130 \begin{grafite}
1131 include "Z/z.ma".
1132 include "nat/orders.ma".
1133 ..
1134 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1135   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1136 \end{grafite}
1137
1138 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1139 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1140 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1141 different interpretation for it have to be used in order to obtain a refinable
1142 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1143 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1144 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1145 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1146 \emph{fresh instances}.
1147
1148 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1149 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1150 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1151 attempting a non-fresh one.
1152
1153 \subsubsection{Implicit coercions}
1154
1155 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1156
1157 \begin{grafite}
1158 theorem power_deriv:
1159   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1160 \end{grafite}
1161
1162 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1163 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1164 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1165 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1166 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1167 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1168 level term, it will return a partially specified term where in place of
1169 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1170 (assuming it has been defined as such of course).
1171
1172 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1173 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1174 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1175 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1176 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1177 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1178 coercion-enabled pass.
1179
1180 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1181 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1182 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1183 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1184 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1185 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1186 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1187 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1188 prefer fresh instances over implicit coercion, i.e. we always attempt
1189 disambiguation passes with fresh instances before attempting passes with
1190 implicit coercions.
1191
1192 \subsubsection{Disambiguation passes}
1193
1194 \TODO{spiegazione della tabella}
1195
1196 \begin{center}
1197  \begin{tabular}{c|c|c|c}
1198   \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1199   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1200   & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1201   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1202   \hline
1203   \PASS & Normal & Mono & Disabled \\
1204   \PASS & Normal & Multi & Disabled \\
1205   \PASS & Fresh & Mono & Disabled \\
1206   \PASS & Fresh & Multi & Disabled \\
1207   \PASS & Fresh & Mono & Enabled \\
1208   \PASS & Fresh & Multi & Enabled \\
1209   \PASS & Fresh & Library & Enabled
1210  \end{tabular}
1211 \end{center}
1212
1213 \TODO{alias one shot}
1214
1215 \acknowledgements
1216 We would like to thank all the students that during the past
1217 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1218 the development of Matita, and in particular
1219 A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi, 
1220 and V.~Tamburrelli.
1221
1222 \theendnotes
1223
1224 \bibliography{matita}
1225
1226 \end{document}
1227