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