]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
c9631a4105943a0e46e697a348c641b971aab4f9
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[draft]{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\component}{component}
17 \newcommand{\components}{components}
18
19 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
20 \newcommand{\COQ}{Coq}
21 \newcommand{\COQIDE}{CoqIde}
22 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
23 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
24 \newcommand{\HELM}{Helm}
25 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
26 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
27 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
28 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
29 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
30 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
31 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
32 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
33 \newcommand{\MATITA}{Matita}
34 \newcommand{\MATITAC}{\texttt{matitac}}
35 \newcommand{\MATITADEP}{\texttt{matitadep}}
36 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
37 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
38 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
39 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
40 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
41 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
42 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
43 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
44 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
45 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
46 \newcommand{\GETTER}{Getter}
47 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
48 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
49 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
50 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
51 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
52 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
53 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
54 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
55 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
56 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
57 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
58
59 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
60 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
61 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
62 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
63
64 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
65 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
66  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
67  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
68   \begin{center}
69    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
70   \end{center}}
71
72 \newcounter{example}
73 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
74  {}
75 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
76 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
77 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
78 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
79 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
80
81 \newcounter{pass}
82 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
83
84 \newsavebox{\tmpxyz}
85 \newcommand{\sequent}[2]{
86   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
87     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
88       \ensuremath{#1} \\
89       \rule{3cm}{0.03cm}\\
90       \ensuremath{#2}
91     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
92   \begin{center}
93    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
94   \end{center}}
95
96 \bibliographystyle{plain}
97
98 \begin{document}
99
100 \begin{opening}
101
102  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
103
104 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
105 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
106 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
107 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
108 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
109  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
110
111 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
112 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
113
114 % \date{data}
115
116 \begin{motto}
117 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
118 \end{motto}
119
120 \begin{abstract}
121  abstract qui
122 \end{abstract}
123
124 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
125 Digital Libraries}
126
127 \end{opening}
128
129
130 \section{Introduction}
131 \label{sec:intro}
132 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
133 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
134 Prof.~Asperti. \\
135 The paper describes the overall architecture of
136 the system, focusing on its most distintive and innovative 
137 features.
138
139 \subsection{Historical Perspective}
140 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
141 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
142 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
143 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
144 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
145 have been also conducted with other systems, and notably 
146 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
147 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
148 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
149 following steps:
150 \begin{itemize}
151 \item exporting the information from the internal representation of
152  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
153 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
154 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
155 of the library were the the main components around which everything else 
156 has to be build;
157 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
158  queries to the library; 
159 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
160 %search engine, described in~\cite{whelp};
161 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
162 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
163 active in the MathML Working group since 1999.}; 
164 %and developed inside
165 %\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
166 %which can be integrated in any application.
167 \end{itemize}
168
169 According to our content-centric commitment, the library exported from
170 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
171 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
172 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
173
174 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
175 to a set of software libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
176 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
177 tools and software libraries:
178 \begin{itemize}
179 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
180 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
181 \cite{exportation-module};
182 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
183 XML knowledge base;
184 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
185 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
186 logically relevant content;
187 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
188 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
189 mathematical notation \cite{disambiguation};
190 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
191 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
192 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
193 language \cite{remathematization};
194 \item an innovative, MathML-compliant rendering widget for the GTK 
195 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
196 high-quality bidimensional
197 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
198 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
199 a different text area.
200 \end{itemize}
201 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
202 too far away: essentially, we ``just'' had to
203 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
204 overall management of the library, integrating everything into a
205 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
206
207 \subsection{The System}
208 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''
209
210 \begin{itemize}
211  \item scelta del sistema fondazionale
212  \item sistema indipendente (da \COQ)
213  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
214 \end{itemize}
215
216 \subsection{Relationship with \COQ{}}
217
218 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
219 more the effect of the circumstances of its creation described 
220 above than the result of a deliberate design. In particular, we
221 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
222 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
223 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
224 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
225 two systems.
226
227 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
228 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
229 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
230 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
231 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
232 we could furtherly reduce our code in sensible way).
233
234 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
235 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
236 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
237
238 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
239 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
240 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
241 the parser for ambiguous mathematical notation.
242
243 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
244 historically. \COQ{} is a quite old
245 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
246 several developers have took over the code and several new research ideas
247 that were not considered in the original architecture have been experimented
248 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
249 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
250 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
251 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
252 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
253 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
254 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
255 of the code.
256
257 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
258 we have took advantage of the research results and experiences previously
259 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
260 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
261 the code in coherent minimally coupled libraries.
262
263 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
264 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
265 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
266 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
267
268 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
269 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
270 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
271
272 \begin{figure}[t]
273  \begin{center}
274   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
275   \caption{\MATITA{} libraries}
276   \label{fig:libraries}
277  \end{center}
278 \end{figure}
279
280 \section{Architecture}
281 \label{architettura}
282 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
283 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
284 project.
285
286 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
287 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
288 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
289
290 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
291 at different scales. Applications that require only a few functionalities
292 depend on a restricted set of \components{}.
293
294 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
295 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
296 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
297 elsewhere. In particular:
298 \begin{itemize}
299  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
300    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
301    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
302    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
303    distributed on the network. More information on the Getter can be found
304    in~\cite{zack-master}.
305  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
306    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
307    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
308    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
309    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
310    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
311    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
312    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
313    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
314    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
315  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
316    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
317    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
318    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
319    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
320    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
321  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
322    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
323    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
324    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
325    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
326    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
327  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
328    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
329    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
330 \end{itemize}
331
332 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
333 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
334 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
335 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
336 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
337 is just a wrapper to the \GETTER \component{} that allows the
338 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
339 of the \GETTER \component, or it can use a stub library with the same
340 API that forwards every request to the Getter.
341
342 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
343 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
344 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
345 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
346 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
347 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
348 a different set of functionalities. The four different levels are:
349 fully specified terms; partially specified terms; 
350 content level terms; presentation level terms.
351
352 \subsection{Fully specified terms}
353 \label{fully-spec}
354  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
355    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
356    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
357    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
358    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
359    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
360    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
361    consumption.
362
363    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
364    and provides a parser for terms stored in an XML format.
365
366    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
367    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
368    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
369    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
370    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
371
372    Terms may reference other mathematical notions in the library.
373    One commitment of our project is that the library should be physically
374    distributed. The \GETTER \component{} manages the distribution,
375    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
376    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
377    data type and several utility functions over URIs. The
378    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER
379    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
380    notion referenced by a term that is being type-checked. 
381
382    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
383    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
384
385    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
386    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
387    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
388    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
389    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
390    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
391    a simplified
392    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
393    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
394    metadata
395    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
396    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
397    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
398    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
399    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
400    (that will be described later on and that is implemented in the
401     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
402    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
403    candidates. The process that has issued the query is responsible of
404    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
405    out false matches if interested in doing so.
406
407    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
408    the \texttt{whelp} \component.
409
410    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
411    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
412    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
413    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
414    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
415    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
416    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
417    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
418    
419 \subsection{Partially specified terms}
420 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
421 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
422 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
423 linearly. The latters may occur multiple times and are called
424 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
425 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
426 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
427 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
428 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
429 value for the term bound by the hypothesis.
430
431 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
432 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
433 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
434 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
435 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
436 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
437 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
438 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
439 as few as possible metavariables that occur in them.
440
441 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
442 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
443 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
444 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
445 prove.
446
447 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
448 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
449 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
450 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
451 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
452
453 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
454 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
455 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
456 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
457 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
458 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
459 previous statuses. \TODO{parlare di disambiguazione lazy \& co?}
460
461 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
462 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
463 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
464 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
465 information that can be inferred by the refiner.
466
467 \subsection{Content level terms}
468 \label{sec:contentintro}
469
470 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
471 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
472 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
473 ambiguity that the mathematical language provides.
474
475 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
476 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
477 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
478 or for their computational properties. For instance equality over real
479 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
480 rational numbers.
481
482 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
483 properties without caring about their representation. However the computational
484 properties of addition over the binary representation are very different from
485 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
486 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
487
488 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
489 very precise on the types he is using and their representation. However,
490 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
491 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
492 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
493 the \emph{content level} representation of expressions.
494
495 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
496 to content level terms and the other way around. The first translation can also
497 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
498 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
499
500 The translation from partially specified terms to content level terms must
501 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
502 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
503 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
504 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
505 standard
506 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
507
508 The translation to content level is implemented in the
509 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
510 specified terms}, that are maximally unshared
511 partially specified terms enriched with additional typing information for each
512 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
513 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
514 content level since it is required to generate the natural language rendering
515 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
516 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
517 two different positions we need to associate different typing informations.
518 This association is made easier when the term is represented as a tree since
519 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
520 the typing information using a map on the identifiers.
521 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
522 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
523 in the library in their annotated form.
524
525 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
526 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
527 the reverse translation for expressions. The mapping from
528 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
529 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
530 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
531 every ambiguous expression one partially specified term. The
532 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
533 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
534 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
535 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
536 obtained using the interpretation is refinable.
537
538 \subsection{Presentation level terms}
539
540 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
541 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
542 is called \emph{presentation level}.
543
544 The main important difference between the content level language and the
545 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
546 the presentation level language is a finite language that comprises all
547 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
548 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
549
550 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
551 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
552 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
553 visually
554 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
555 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
556 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
557 BoxML.
558
559 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
560 translation from content level terms to presentation level terms. The
561 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
562 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
563 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
564 presentation
565 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
566 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
567 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
568 selection}.
569
570 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
571 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
572 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
573 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
574 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
575 fully specified term.
576 Once the rendering of a lower level term is
577 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
578 lower level term. An example of applications of semantic selection is
579 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
580 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
581 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
582 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
583
584 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
585 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
586 Differently from the translation from content level terms to partially
587 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
588 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
589 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
590 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
591 This means that the user must fix once and for all the associativity and
592 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
593 does not seem too strong. The reason is that the target of the
594 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
595 to every content level term several different interpretations (as a
596 partially specified term).
597
598 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
599 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
600 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
601 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
602 of commands to declare and activate new notations and it implements the
603 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
604 actions. Among the commands there are hints to the
605 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
606 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
607
608 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
609 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
610 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
611 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
612 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
613 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
614 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
615 level, it invokes the already described parser for terms contained in
616 \texttt{content\_pres}.
617
618 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
619 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
620 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
621 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
622 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
623 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
624 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
625 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
626
627 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
628 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
629 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
630 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
631 it to the presentation level passing through the content level. Finally
632 it returns the result document to be rendered by the user's
633 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
634
635
636 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
637 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
638 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
639 services missing from the standard library of the programming language.
640 In particular, the \texttt{xml} \component{} is used
641 to easily represent, parse and pretty-print XML files.
642
643 \section{Using \MATITA (boh \ldots cambiare titolo)}
644
645 \begin{figure}[t]
646  \begin{center}
647 %   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{a.eps}
648   \caption{\MATITA{} screenshot}
649   \label{fig:screenshot}
650  \end{center}
651 \end{figure}
652
653 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
654 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
655 script, on the right the list of open goal is shown using a MathML rendering
656 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
657 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
658 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
659 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
660 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
661 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
662 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
663 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
664
665 In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
666 only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
667 all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
668 visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
669 hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
670 the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
671
672 This methodological assumption has many important consequences
673 which will be discussed in the next section.
674
675 %on one side
676 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
677 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
678 %information; 
679 %on the other it introduces overloading in the use of 
680 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
681 %techniques for interpreting the user inputs.  
682 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
683 %points. 
684
685 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
686 %organized in components which work on data in this format. For instance the
687 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
688 %MathML Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print  ...
689 %FINIRE
690
691 A final section is devoted to some innovative aspects
692 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
693 content selection and copy-paste. 
694
695 \section{Library Management}
696
697 \subsection{Indexing and searching}
698
699
700 \subsection{Compilation and decompilation}
701 \label{sec:libmanagement}
702
703 %
704 %goals: consentire sviluppo di una librearia mantenendo integrita' referenziale e usando le teconologie nostre (quindi con metadati, XML, libreria visibile)
705 %\subsubsection{Composition}
706 %scripts.ma, .moo, XML, metadata
707 %\subsubsection{Compilation}
708 %analogie con compilazione classica dso.\\
709 %granularita' differenti per uso interattivo e non
710 %\paragraph{Batch}
711 %- granularita' .ma/buri \\
712 %-- motivazioni\\
713 %- come si calcolano le dipendenze\\
714 %- quando la si usa\\
715 %- metodi (cc e clean)\\
716 %- garanzie
717 %\paragraph{Interactive}
718 %- granularita' fine\\
719 %-- motivazioni
720 %\label{sec:libmanagement}
721 %consistenza: integrita' referenziale
722 %Goals: mantenere consistente la rappresentazione della libreria su memoria persistente consentendo di compilare e decompilare le compilation unit (.ma).\\
723 %Vincoli: dipendenze oggetti-oggetti e metadati-oggetti\\
724 %Due livelli di gestione libreria, uno e' solo in fase interattiva dove la compilazione e' passo passo: \\
725 %--- granularita' oggetto per matita interactive\\
726 %--- granularita' baseuri (compilation unit) per la libreria\\
727 %In entrmbi i casi ora:\\
728 %--- matitaSync: add, remove, timetravel(facility-macro tra 2 stati)[obj]\\
729 %--- matitaCleanLib: clean\_baseuri (che poi usa matitaSync a sua volta)[comp1]\\
730 %Vincoli di add: typecheck ( ==$>$ tutto quello che usa sta in lib)\\
731 %Vincoli di remove: \\
732 %--- la remove di mSync non li controlla (ma sa cosa cancellare per ogni uri)\\
733 %--- la clean\_baseuri calcola le dipendenze con i metadati (o anche i moo direi) e li rispetta\\
734 %Undo di matita garantisce la consistenza a patto che l'history che tiene sia ok\\
735 %Undo della lib (mClean) garantisce la consistenza (usando moo o Db).\\
736
737 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
738 preserves the consistency and the availability of the library
739 using the \WHELP{} technology, in response to the user addition or 
740 removal of mathematical objects.
741
742 As already sketched in \ref{fully-spec} the output of the
743 compilation of a script is split among two storage media, a
744 classical filesystem and a relational database. The former is used to
745 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
746 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
747 while the latter is used to store all the metadata needed by
748 \WHELP{}.
749 % Non serve piu' l'update: by --Zack
750 % In addition the \GETTER{} component
751 % should be updated with the the new mapping between the logical URI
752 % and the physical path of objects.
753
754 While this kind of consistency has nothing to do with the nature of
755 the content of the library and is thus uninteresting (but really
756 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
757 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
758 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
759 already proved theorems). 
760
761 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
762 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
763 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
764 without loosing the feeling of an always visible and browsable
765 library.
766
767 \subsubsection{Compilation}
768
769 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
770 it depends only on well typed objects available in the library,
771 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
772 the library is preserved. We have only to find the right order of
773 compilation of the scripts that compose the user development.
774
775 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
776 that takes in input the list of files that compose the development and
777 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
778 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
779 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
780 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
781 related tasks, including dependencies calculation.
782 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
783 inclusions of other parts of the development or for explicit
784 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
785 \ref{sec:disambaliases}). 
786
787 The output of the compilation is immediately available to the user
788 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
789 user-specific area of the database where the search engine has read
790 access, and all the automated tactics that operates on the whole
791 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
792
793 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
794 to compile again the same script, maybe after the removal of a
795 theorem. Here the policy is simple: decompile it before recompiling.
796 As we will see in the next section decompilation will ensure that
797 there will be no theorems in the development that depends on the
798 removed items.
799
800 \subsubsection{Decompilation}
801
802 Decompiling an object involves the (recursive)
803 decompilation of all the objects that depend on it.
804
805 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
806 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
807 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
808 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
809 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
810 database.
811
812 The latter is a fall-back in case the database is not available.\footnote{Due to
813 the complex deployment of a large piece of software like a database,
814 it is a common practice for the \HELM{} team to use a shared remote
815 database, that may be unavailable if the user workstation lacks
816 network connectivity.} This facility has to be intended only as a fall-back,
817 since the queries of the \WHELP{} technology depend require a working database.
818
819 Decompilation guarantees that if an object is removed there are no
820 dandling references to it, and that the part of the library still
821 compiled is logically consistent. Since decompilation involves the
822 removal of all the results of the compilation, metadata included, the
823 library browsable trough the \WHELP{} technology is always kept up to date.
824
825 \subsubsection{Interactive and batch (de)compilation}
826
827 \MATITA{} includes an interactive graphical interface and a batch
828 compiler (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
829 user, the latter is automatically invoked when a
830 part of the user development is required (for example issuing an
831 \texttt{include} command) but not yet compiled.
832
833 While they share the same engine for compilation and decompilation,
834 they provide different granularity. The batch compiler is only able to
835 compile a whole script file and reciprocally to decompile only a whole
836 script, and consequently all the other scripts that rely on an object
837 defined in it. The interactive interface is able to execute single steps
838 of compilation, that may include the definition of an object, and
839 consequently to undo single steps, thus removing single objects.
840
841 \subsection{Automation}
842
843 \subsection{\MATITA's naming convention}
844 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
845 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
846 our studies about metadata for statements. 
847 The convention is only applied to identifiers for theorems 
848 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
849 The basic rules are the following:
850 \begin{itemize}
851 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
852 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
853 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
854 separated by an underscore,
855 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
856 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
857 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
858 single or duoble apostrophe.
859
860 \end{itemize}
861 Take for instance the theorem
862 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
863 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
864 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
865 Similarly, consider the theorem 
866 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
867 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
868 while \verb+lt_le+ is not.\\
869 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
870 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
871 The correct approach, 
872 in this case, is the following. You should start with defining the 
873 symmetric property for relations
874
875 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
876
877 Then, you may state the symmetry of equality as
878 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
879 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
880 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
881 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
882 forcing the user to define abstract notions and properties before 
883 using them (and formalizing such use).
884
885 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
886 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
887 theorems of the shape
888 $\forall P,\dots.P(t)$.
889 In this case you may replace the conclusion with the word
890 ``elim'' or ``case''.
891 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
892 induction principle.
893
894 The other special case is that of statements whose conclusion is a
895 match expression. 
896 A typical example is the following
897 \begin{verbatim}
898   \forall n,m:nat. 
899       match (eqb n m) with
900         [ true  \Rightarrow n = m 
901         | false \Rightarrow n \neq m]
902 \end{verbatim}
903 where $eqb$ is boolean equality.
904 In this cases, the name can be build starting from the matched
905 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
906 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
907
908 \section{The \MATITA{} user interface}
909
910 \subsection{Disambiguation}
911 \label{sec:disambiguation}
912
913 Software applications that involve input of mathematical content should strive
914 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
915 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
916 Being that drift in general very large when inputing
917 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
918 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
919 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
920 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
921 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
922
923 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
924 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
925 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
926 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
927 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
928 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
929 expressiveness.
930
931 \subsubsection{Disambiguation aliases}
932 \label{sec:disambaliases}
933 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
934 (Peano) natural numbers.
935
936 \begin{grafite}
937 include "nat/nat.ma".
938 ..
939 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
940   \lambda n, m. m < n.
941 \end{grafite}
942
943 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
944 defining the notion of natural numbers should be defined before
945 processing the what follows. Note indeed that the algorithm presented
946 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
947 expressions come from, since it is application-specific. As a first
948 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
949 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
950 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
951 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
952
953 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
954 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
955 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
956 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
957 both type and body are easily disambiguated.
958
959 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
960 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
961 course overload the \OP{<} operator):
962
963 \begin{grafite}
964 include "Z/z.ma".
965 ..
966 theorem Zlt_compat:
967   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
968 \end{grafite}
969
970 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
971 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
972 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
973 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
974 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
975 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
976 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
977 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
978 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
979 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
980
981 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
982 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
983 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
984 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
985 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
986 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
987 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
988 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
989 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
990 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
991 choosed):
992
993 \begin{grafite}
994 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
995 theorem Zlt_compat:
996   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
997 \end{grafite}
998
999 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
1000 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
1001 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
1002 Consider for example:
1003
1004 \begin{grafite}
1005 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
1006 \end{grafite}
1007
1008 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1009 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1010 refinable partially specified term matching the term could be found.
1011
1012 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1013 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1014 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1015 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1016 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1017 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1018 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1019 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1020 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1021 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1022 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1023
1024 \subsubsection{Operator instances}
1025
1026 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1027 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1028 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1029
1030 \begin{grafite}
1031 include "Z/z.ma".
1032 include "nat/orders.ma".
1033 ..
1034 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1035   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1036 \end{grafite}
1037
1038 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1039 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1040 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1041 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
1042 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1043 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1044 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1045 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1046 \emph{fresh instances}.
1047
1048 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1049 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1050 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1051 attempting a non-fresh one.
1052
1053 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
1054 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
1055 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
1056 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
1057 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
1058 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
1059 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
1060 aliases} and \MATITA{} doesn't use it to disambiguate further terms down in the
1061 script.
1062
1063 \subsubsection{Implicit coercions}
1064
1065 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1066
1067 \begin{grafite}
1068 theorem power_deriv:
1069   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1070 \end{grafite}
1071
1072 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1073 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1074 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1075 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1076 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1077 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1078 level term, it will return a partially specified term where in place of
1079 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1080 (assuming it has been defined as such of course).
1081
1082 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1083 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1084 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1085 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1086 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1087 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1088 coercion-enabled pass.
1089
1090 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1091 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1092 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1093 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1094 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1095 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1096 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1097 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1098 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
1099 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
1100 attempting passes with implicit coercions.
1101
1102 \subsubsection{Disambiguation passes}
1103
1104 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
1105 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}.  In
1106 our experience that choice implements a good trade off among disambiguation time
1107 and admitted ambiguity in terms input by users.
1108
1109 \begin{table}[ht]
1110  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
1111  \label{tab:disambpasses} 
1112  \begin{center}
1113   \begin{tabular}{c|c|c|c}
1114    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1115    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1116    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1117    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1118    \hline
1119    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
1120    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
1121    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
1122    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
1123    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
1124    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
1125    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
1126   \end{tabular}
1127  \end{center}
1128 \end{table}
1129
1130 \subsection{Patterns}
1131
1132 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
1133 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
1134 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
1135 tattichini.\\
1136
1137 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
1138 selection.
1139
1140 \MATITA{} benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
1141 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
1142 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
1143 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
1144 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
1145 script is not obvious.\\
1146 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
1147
1148 \subsubsection{Pattern syntax}
1149 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
1150 $\NT{wanted}$.
1151 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
1152 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
1153 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
1154
1155 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
1156 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
1157 \begin{table}
1158  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
1159 \hrule
1160 \[
1161 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1162   \NT{pattern} & 
1163     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
1164   \NT{sequent\_path} & 
1165     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1166       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1167   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1168   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1169 \end{array}
1170 \]
1171 \hrule
1172 \end{table}
1173
1174 \subsubsection{How patterns work}
1175 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
1176 selects roots (subterms) of the sequent, using the
1177 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
1178 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
1179 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
1180 conclusion.
1181
1182 \begin{description}
1183 \item[Phase 1]
1184   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1185   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1186   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1187   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1188   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1189   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1190   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1191   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1192   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1193   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1194   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1195
1196   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
1197   is allowed.
1198   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1199   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1200   selects the whole term, is simply $\%$.
1201   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1202   that respectively select the first argument of an application or
1203   the source of an arrow and the head of the application that is
1204   found in the arrow target.
1205
1206   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
1207   their context that will be eventually used in the second phase.
1208
1209 \item[Phase 2] 
1210   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
1211   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1212   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1213   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1214   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
1215   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1216   pattern represents.
1217
1218 \end{description}
1219
1220 \noindent
1221 Since the first step is equipotent to the composition of the two
1222 steps, the system uses it to represent each visual selection.
1223 The second step is only meant for the
1224 experienced user that writes patterns by hand, since it really
1225 helps in writing concise patterns as we will see in the
1226 following examples.
1227
1228 \subsubsection{Examples}
1229 To explain how the first step works let's give an example. Consider
1230 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1231 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
1232 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1233 Typing
1234 \begin{grafite}
1235 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1236   intros (n m H).
1237 \end{grafite}
1238 \noindent
1239 leads you to the following sequent 
1240 \sequent{
1241 n:nat\\
1242 m:nat\\
1243 H: m + n = n}{
1244 m=O
1245 }
1246 \noindent
1247 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
1248 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
1249 \begin{grafite}
1250   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1251 \end{grafite}
1252 \noindent
1253 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
1254 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
1255 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
1256 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
1257 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
1258 and left to the system the burden of writing down in the script file the
1259 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
1260 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
1261 the type $nat$ in this example).
1262
1263 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
1264 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
1265 a simpler pattern that uses the second phase.
1266 \begin{grafite}
1267   change in match n in H with (O + n).
1268 \end{grafite}
1269 \noindent
1270 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1271 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
1272 $\alpha$-equivalence. The resulting
1273 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
1274 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
1275
1276 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
1277 following one, that is less readable but uses only the first phase.
1278 \begin{grafite}
1279   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1280 \end{grafite}
1281 \noindent
1282
1283 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1284 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1285 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1286 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1287
1288 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1289 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1290 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1291 con una pattern\_of(select(pattern))}
1292
1293 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1294 \COQ{} has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
1295 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1296 a term occurrence.
1297
1298 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
1299 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
1300 the second is to prepare the sequent with another tactic called
1301 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
1302 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1303 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1304
1305 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1306 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1307 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
1308 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1309 is
1310 \begin{grafite}
1311   change n at 2 in H with (O + n)
1312 \end{grafite} 
1313 \noindent
1314 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1315 second we encounter proceeding from left toright.
1316
1317 The tactic pattern computes a
1318 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1319 occurrences of the given term. In the previous example the following
1320 command
1321 \begin{grafite}
1322   pattern n at 2 in H
1323 \end{grafite}
1324 \noindent
1325 would have resulted in this sequent
1326 \begin{grafite}
1327   n : nat
1328   m : nat
1329   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1330   ============================
1331    m = 0
1332 \end{grafite}
1333 \noindent
1334 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1335 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1336 the head of the application (since the unification is essentially
1337 first-order) but normally operate on the arguments. 
1338 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1339 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1340 unification. 
1341
1342 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1343 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1344 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1345 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1346 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1347 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1348 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1349
1350 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
1351 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1352 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1353
1354
1355 \subsection{Tacticals}
1356 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1357 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1358 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1359 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
1360 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1361 them.
1362
1363 \subsubsection{Tacticals overview}
1364
1365 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1366 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1367 The following simple example shows three tacticals in action
1368 \begin{grafite}
1369 theorem trivial: 
1370   \forall A,B:Prop. 
1371     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1372   intros (A B H).
1373   split; intro; 
1374     [ rewrite < H. assumption.
1375     | rewrite > H. assumption.
1376     ]
1377 qed.
1378 \end{grafite}
1379
1380 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1381 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1382 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1383 we have two goals, the two sides of the logic and).
1384 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1385 is proved by the first sequence of tactics
1386 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1387 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1388 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1389 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1390 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1391 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1392 delimiter of commands the proof assistant executes).
1393
1394 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1395 to read without the interactive tool. To help the reader in
1396 understanding the following considerations we just give few common
1397 usage examples without a proof context.
1398
1399 \begin{grafite}
1400   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1401   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1402 \end{grafite}
1403
1404 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1405 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1406 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1407 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1408 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1409 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1410 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1411 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1412
1413 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1414 compositions of tacticals and in particular they are a single
1415 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1416 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1417 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1418 a single statement.
1419
1420 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1421 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1422 maintainability and readability. 
1423
1424 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1425 compatibility is a really time consuming task. \\
1426 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1427 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1428 were not opening goals in the expected order. In particular the
1429 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1430 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1431 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1432 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1433 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1434 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1435 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1436 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1437 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1438 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1439 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1440 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1441 have been done automatically. 
1442
1443 From this experience we learned that the use of tacticals for
1444 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1445 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1446 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1447 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1448 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1449 for two different theorems to have the same proof script (while the
1450 proof is completely different).\\
1451 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1452 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1453 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1454 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1455 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1456 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1457 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1458 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1459 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1460 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1461 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1462 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1463 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1464
1465 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1466 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1467 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1468 they are executed.
1469
1470 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1471 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1472 making it impossible to read them again.
1473
1474 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1475
1476 \begin{table}
1477  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1478 \hrule
1479 \[
1480 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1481   \NT{punctuation} & 
1482     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1483   \NT{block\_kind} & 
1484     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1485   \NT{block\_delimiter} & 
1486     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1487   \NT{tactical} & 
1488     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1489 \end{array}
1490 \]
1491 \hrule
1492 \end{table}
1493
1494 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1495 While one would expect to find structured constructs like 
1496 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1497 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1498 execution.
1499
1500 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1501 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1502 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1503 even being a so simple idea:
1504 \begin{description}
1505 \item[Proof structuring] 
1506   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1507   are using classical tacticals in one of the state of the
1508   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1509   After applying the induction principle you have to choose: structure
1510   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1511   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1512   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1513   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1514   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1515   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1516   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1517   the already executed script you have to undo one step.
1518   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1519   the proof and write a plain list of tactics.\\
1520   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1521   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1522   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1523   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1524   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1525   structured proof. \\
1526   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1527   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1528   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1529   
1530 \item[Rereading]
1531   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1532   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1533   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1534   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1535   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1536   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1537   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1538   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1539   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1540   goal) gives you the feeling of what is going on.
1541 \end{description}
1542
1543 \section{The \MATITA{} library}
1544
1545 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1546 can be read, checked and referenced in further developments. 
1547 However, in order to test the actual usability of the system, a
1548 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1549 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1550 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1551 \COQ{} objects. 
1552 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1553 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1554 Eulers' totient function $\phi$.
1555 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1556 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1557 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1558 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1559 in Figure\ref{scripts}
1560 \begin{figure}[htb]
1561 $\begin{array}{lll}
1562 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1563 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1564 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1565 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1566 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1567 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1568 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1569 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1570 totient.ma& & \\
1571 \end{array}$
1572 \caption{\label{scripts}\MATITA{} scripts on natural numbers}
1573 \end{figure}
1574
1575 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1576 as most of the systems do. On the contary we are currently
1577 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1578 development of the library, encouraging people to expand, 
1579 modify and elaborate previous contributions.
1580
1581 \section{Conclusions}
1582
1583 \acknowledgements
1584 We would like to thank all the students that during the past
1585 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1586 the development of \MATITA{}, and in particular
1587 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1588 and V.~Tamburrelli.
1589
1590 \theendnotes
1591
1592 \bibliography{matita}
1593
1594 \end{document}
1595