]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
d1cc2e54d63a21be501c8da81e8f9dfb94fc1f86
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
17 \newcommand{\COQ}{Coq}
18 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
19 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
20 \newcommand{\HELM}{Helm}
21 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
22 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
23 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
24 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
25 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
26 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
27 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
28 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
29 \newcommand{\MATITA}{Matita}
30 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
31 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
32 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
33 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
34 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
35 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
36 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
37 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
38 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
39 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
40 \newcommand{\GETTER}{Getter}
41 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
42 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
43 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
44 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
45 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
46 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
47 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
48 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
49 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
50 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
51 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
52
53 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
54 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
55 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
56
57 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
58 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
59  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
60  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
61   \begin{center}
62    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
63   \end{center}}
64
65 \newcounter{example}
66 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
67  {}
68 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
69 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
70 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
71 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
72 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
73
74 \newsavebox{\tmpxyz}
75 \newcommand{\sequent}[2]{
76   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
77     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
78       \ensuremath{#1} \\
79       \rule{3cm}{0.03cm}\\
80       \ensuremath{#2}
81     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
82   \begin{center}
83    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
84   \end{center}}
85
86 \bibliographystyle{plain}
87
88 \begin{document}
89
90 \begin{opening}
91
92  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
93
94 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
95 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
96 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
97 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
98 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
99  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
100
101 \runningtitle{The Matita proof assistant}
102 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
103
104 % \date{data}
105
106 \begin{motto}
107 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
108 \end{motto}
109
110 \begin{abstract}
111  abstract qui
112 \end{abstract}
113
114 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
115 Digital Libraries}
116
117 \end{opening}
118
119 \begin{figure}[t]
120  \begin{center}
121   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
122   \caption{\MATITA{} libraries}
123  \end{center}
124  \label{fig:libraries}
125 \end{figure}
126
127 \section{Overview of the Architecture}
128 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{libraries} (circle nodes)
129 and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM project.
130
131 Applications and libraries depend over other libraries forming a
132 directed acyclic graph (DAG). Each library can be decomposed in
133 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
134
135 Modules and libraries provide coherent sets of functionalities
136 at different scales. Applications that require only a few functionalities
137 depend on a restricted set of libraries.
138
139 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
140 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
141 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
142 elsewhere. In particular:
143 \begin{itemize}
144  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
145    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
146    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
147    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
148    distributed on the network. More information on the Getter can be found
149    in~\cite{zack-master}.
150  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
151    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
152    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
153    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
154    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
155    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
156    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
157    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
158    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
159    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
160  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
161    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
162    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
163    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
164    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
165    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
166  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
167    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
168    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
169    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
170    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
171    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
172  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
173    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
174    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
175 \end{itemize}
176
177 The dependency of a library or application over another library can
178 be satisfied by linking the library in the same executable.
179 For those libraries whose functionalities are also provided by the
180 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
181 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
182 is just a wrapper to the \texttt{getter} library that allows the library
183 to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code of the
184 \texttt{getter} library, or it can use a stub library with the same API
185 that forwards every request to the Getter.
186
187 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
188 library, we can focus on the representation of the mathematical information.
189 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
190 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
191 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
192 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
193 a different set of functionalities. The four different levels are:
194 fully specified terms; partially specified terms; 
195 content level terms; presentation level terms.
196
197 \subsection{Fully specified terms}
198  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
199    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
200    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
201    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
202    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
203    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
204    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
205    consumption.
206
207    The \texttt{cic} library defines the data type that represents CIC terms
208    and provides a parser for terms stored in an XML format.
209
210    The most important library that deals with fully specified terms is
211    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
212    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
213    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
214    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
215
216    Terms may reference other mathematical notions in the library.
217    One commitment of our project is that the library should be physically
218    distributed. The \texttt{getter} library manages the distribution,
219    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
220    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} library provides the URI
221    data type and several utility functions over URIs. The
222    \texttt{cic\_proof\_checking} library calls the \texttt{getter} library
223    every time it needs to retrieve the definition of a mathematical notion
224    referenced by a term that is being type-checked. 
225
226    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
227    to the \texttt{cic\_proof\_checking} library.
228
229    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
230    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
231    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
232    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
233    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
234    database for later usage. The \texttt{hmysql} library provides a simplified
235    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
236    metadata. The \texttt{metadata} library defines the data type of the metadata
237    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
238    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
239    The \texttt{whelp} library implements a search engine that performs
240    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
241    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
242    (that will be described later on and that is implemented in the
243     \texttt{cic\_unification} library). Not performing any actual matching
244    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
245    candidates. The process that has issued the query is responsible of
246    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
247    out false matches if interested in doing so.
248
249    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
250    the \texttt{whelp} library.
251
252 \subsection{Partially specified terms}
253 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
254 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
255 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
256 linearly. The latters may occur multiple times and are called
257 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
258 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
259 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
260 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
261 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
262 value for the term bound by the hypothesis.
263
264 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
265 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
266 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
267 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
268 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
269 in the \texttt{cic\_unification} library. As the type checker is based on
270 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
271 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
272 as few as possible metavariables that occur in them.
273
274 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
275 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
276 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
277 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
278 prove.
279
280 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
281 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
282 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
283 \texttt{tactics} library. It is heavily based on the refinement and unification
284 procedures of the \texttt{cic\_unification} library. \TODO{citare paramodulation
285 da qualche part o toglierla dal grafo}
286
287 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
288 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
289 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
290 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
291 information that can be inferred by the refiner.
292
293 \subsection{Content level terms}
294 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
295 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
296 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
297 ambiguity that the mathematical language provides.
298
299 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
300 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
301 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
302 or for their computational properties. For instance equality over real
303 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
304 rational numbers.
305
306 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
307 properties without caring about their representation. However the computational
308 properties of addition over the binary representation are very different from
309 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
310 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
311
312 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
313 very precise on the types he is using and their representation. However,
314 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
315 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
316 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
317 the \emph{content level} representation of expressions.
318
319 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
320 to content level terms and the other way around. The first translation can also
321 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
322 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
323
324 The translation from partially specified terms to content level terms must
325 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
326 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
327 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
328 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
329 standard
330 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
331
332 The translation to content level is implemented in the
333 \texttt{acic\_content} library. Its input are \emph{annotated partially
334 specified terms}, that are maximally unshared
335 partially specified terms enriched with additional typing information for each
336 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
337 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
338 content level since it is required to generate the natural language rendering
339 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
340 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
341 two different positions we need to associate different typing informations.
342 This association is made easier when the term is represented as a tree since
343 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
344 the typing information using a map on the identifiers.
345 The \texttt{cic\_acic} library annotates partially specified terms.
346
347 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
348 partially specified terms. But in \texttt{disambiguation} we do provide
349 the reverse translation for expressions. The mapping from
350 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
351 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
352 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
353 every ambiguous expression one partially specified term. The
354 \texttt{disambiguation} library contains the implementation of the
355 disambiguation algorithm we presented in \cite{disambiguation} that is
356 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
357 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
358 obtained using the interpretation is refinable.
359
360 \subsection{Presentation level terms}
361
362 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
363 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
364 is called \emph{presentation level}.
365
366 The main important difference between the content level language and the
367 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
368 the presentation level language is a finite language that comprises all
369 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
370 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
371
372 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
373 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
374 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
375 visually
376 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
377 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
378 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
379 BoxML.
380
381 The \texttt{content\_pres} library contains the implementation of the
382 translation from content level terms to presentation level terms. The
383 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
384 the library. However, in the \texttt{hgdome} library we provide a few
385 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
386 presentation
387 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
388 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
389 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
390 selection}.
391
392 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
393 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
394 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
395 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
396 correspond to a lower\footnote{\TODO{non abbiamo parlato di ``ordine''}} level term. Once the rendering of a lower level term is
397 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
398 lower level term. An example of applications of semantic selection is
399 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
400 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
401 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
402 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
403
404 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
405 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
406 Differently from the translation from content level terms to partially
407 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
408 parsing library we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
409 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
410 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
411 This means that the user must fix once and for all the associativity and
412 precedence level of every operator he is using. In prctice this limitation
413 does not seem too strong. The reason is that the target of the
414 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
415 to every content level term several different interpretations (as a
416 partially specified term).
417
418 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
419 against the \texttt{cic\_disambiguation} and \texttt{content\_pres} libraries
420 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
421 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} library and
422 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} library.
423
424 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} library,
425 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
426 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
427 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
428 it to the presentation level passing through the content level. Finally
429 it returns the result document to be rendered by the user's
430 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
431
432 \hrule
433
434 At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
435 \texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
436 useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
437 to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
438 since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
439 The other basic libraries provide often needed operations over generic
440 data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
441 (the \texttt{registry}).
442
443 \texttt{urimanager}
444
445 \texttt{getter}
446
447 \texttt{cic}
448
449 \section{Partially specified terms}
450 --- il mondo delle tattiche e dintorni ---
451 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
452 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
453 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
454 tattichini.\\
455
456
457
458 \subsection{Patterns}
459 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
460 selection.
461
462 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
463 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
464 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
465 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
466 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
467 script is not obvious.\\
468 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
469
470 \subsubsection{Pattern syntax}
471 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
472 $\NT{wanted}$.
473 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
474 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
475 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
476
477 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
478 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
479 \begin{table}
480  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
481 \hrule
482 \[
483 \begin{array}{@{}rcll@{}}
484   \NT{pattern} & 
485     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
486   \NT{sequent\_path} & 
487     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
488       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
489   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
490   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
491 \end{array}
492 \]
493 \hrule
494 \end{table}
495
496 \subsubsection{How patterns work}
497 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
498 selects roots (subterms) of the sequent, using the
499 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
500 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
501 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
502 conclusion.
503
504 \begin{description}
505 \item[Phase 1]
506   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
507   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
508   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
509   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
510   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
511   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
512   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
513   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
514   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
515   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
516   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
517
518   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
519   is allowed.
520   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
521   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
522   selects the whole term, is simply $\%$.
523   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
524   that respectively select the first argument of an application or
525   the source of an arrow and the head of the application that is
526   found in the arrow target.
527
528   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
529   their context that will be eventually used in the second phase.
530
531 \item[Phase 2] 
532   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
533   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
534   will see as subterm roots, and their context. For each of these
535   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
536   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
537   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
538   pattern represents.
539
540 \end{description}
541
542 \noindent
543 Since the first step is equipotent to the composition of the two
544 steps, the system uses it to represent each visual selection.
545 The second step is only meant for the
546 experienced user that writes patterns by hand, since it really
547 helps in writing concise patterns as we will see in the
548 following examples.
549
550 \subsubsection{Examples}
551 To explain how the first step works let's give an example. Consider
552 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
553 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
554 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
555 Typing
556 \begin{grafite}
557 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
558   intros (n m H).
559 \end{grafite}
560 \noindent
561 leads you to the following sequent 
562 \sequent{
563 n:nat\\
564 m:nat\\
565 H: m + n = n}{
566 m=O
567 }
568 \noindent
569 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
570 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
571 \begin{grafite}
572   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
573 \end{grafite}
574 \noindent
575 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
576 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
577 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
578 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
579 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
580 and left to the system the burden of writing down in the script file the
581 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
582 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
583 the type $nat$ in this example).
584
585 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
586 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
587 a simpler pattern that uses the second phase.
588 \begin{grafite}
589   change in match n in H with (O + n).
590 \end{grafite}
591 \noindent
592 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
593 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
594 $\alpha$-equivalence. The resulting
595 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
596 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
597
598 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
599 following one, that is less readable but uses only the first phase.
600 \begin{grafite}
601   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
602 \end{grafite}
603 \noindent
604
605 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
606 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
607 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
608 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
609
610 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
611 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
612 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
613 con una pattern\_of(select(pattern))}
614
615 \subsubsection{Comparison with Coq}
616 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
617 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
618 a term occurrence.
619
620 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
621 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
622 the second is to prepare the sequent with another tactic called
623 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
624 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
625 with pattern and do not accept directly this special syntax.
626
627 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
628 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
629 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
630 to change only the left part of the equivalence, the correct command
631 is
632 \begin{grafite}
633   change n at 2 in H with (O + n)
634 \end{grafite} 
635 \noindent
636 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
637 second we encounter proceeding from left toright.
638
639 The tactic pattern computes a
640 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
641 occurrences of the given term. In the previous example the following
642 command
643 \begin{grafite}
644   pattern n at 2 in H
645 \end{grafite}
646 \noindent
647 would have resulted in this sequent
648 \begin{grafite}
649   n : nat
650   m : nat
651   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
652   ============================
653    m = 0
654 \end{grafite}
655 \noindent
656 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
657 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
658 the head of the application (since the unification is essentially
659 first-order) but normally operate on the arguments. 
660 This works for some tactics, like rewrite and replace,
661 but for example not for change and other tactics that do not relay on
662 unification. 
663
664 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
665 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
666 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
667 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
668 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
669 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
670 only way to tell the system exactly what you want to do. 
671
672 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
673 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
674 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
675
676 \subsection{Tacticals}
677 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
678 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
679 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
680 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
681 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
682 them.
683
684 \subsubsection{Tacticals overview}
685
686 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
687 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
688 The following simple example shows three tacticals in action
689 \begin{grafite}
690 theorem trivial: 
691   \forall A,B:Prop. 
692     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
693   intros (A B H).
694   split; intro; 
695     [ rewrite < H. assumption.
696     | rewrite > H. assumption.
697     ]
698 qed.
699 \end{grafite}
700
701 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
702 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
703 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
704 we have two goals, the two sides of the logic and).
705 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
706 is proved by the first sequence of tactics
707 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
708 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
709 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
710 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
711 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
712 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
713 delimiter of commands the proof assistant executes).
714
715 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
716 to read without the interactive tool. To help the reader in
717 understanding the following considerations we just give few common
718 usage examples without a proof context.
719
720 \begin{grafite}
721   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
722   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
723 \end{grafite}
724
725 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
726 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
727 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
728 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
729 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
730 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
731 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
732 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
733
734 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
735 compositions of tacticals and in particular they are a single
736 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
737 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
738 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
739 a single statement.
740
741 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
742 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
743 maintainability and readability. 
744
745 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
746 compatibility is a really time consuming task. \\
747 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
748 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
749 were not opening goals in the expected order. In particular the
750 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
751 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
752 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
753 but some theorems about integers were there. The inductive type of
754 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
755 induction proofs on this type where written without tacticals and,
756 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
757 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
758 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
759 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
760 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
761 the proofs was structured with the branch tactical this task could
762 have been done automatically. 
763
764 From this experience we learned that the use of tacticals for
765 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
766 proof script readability. We must highlight that proof scripts
767 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
768 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
769 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
770 for two different theorems to have the same proof script (while the
771 proof is completely different).\\
772 Bad readability is not a big deal for the user while he is
773 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
774 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
775 workaround commonly used to read a script is to execute it again
776 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
777 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
778 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
779 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
780 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
781 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
782 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
783 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
784 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
785
786 Now we can understand the tradeoff between script readability and
787 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
788 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
789 they are executed.
790
791 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
792 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
793 making it impossible to read them again.
794
795 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
796
797 \begin{table}
798  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
799 \hrule
800 \[
801 \begin{array}{@{}rcll@{}}
802   \NT{punctuation} & 
803     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
804   \NT{block\_kind} & 
805     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
806   \NT{block\_delimiter} & 
807     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
808   \NT{tactical} & 
809     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
810 \end{array}
811 \]
812 \hrule
813 \end{table}
814
815 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
816 While one would expect to find structured constructs like 
817 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
818 This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
819
820 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
821 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
822 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
823 even being a so simple idea:
824 \begin{description}
825 \item[Proof structuring] 
826   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
827   are using classical tacticals in one of the state of the
828   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
829   After applying the induction principle you have to choose: structure
830   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
831   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
832   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
833   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
834   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
835   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
836   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
837   the already executed script you have to undo one step.
838   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
839   the proof and write a plain list of tactics.\\
840   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
841   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
842   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
843   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
844   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
845   structured proof. \\
846   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
847   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
848   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
849   
850 \item[Rereading]
851   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
852   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
853   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
854   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
855   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
856   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
857   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
858   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
859   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
860   goal) gives you the feeling of what is going on.
861 \end{description}
862
863
864 \acknowledgements
865 We would like to thank all the students that during the past
866 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
867 the development of Matita, and in particular
868 A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
869 V.Tamburrelli.
870
871 \theendnotes
872
873 \bibliography{matita}
874
875
876 \end{document}
877