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1 \documentclass[]{kluwer}
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6 % \usepackage{picins}
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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
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18
19 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
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21 \newcommand{\COQ}{Coq}
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39 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
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73
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96
97 \bibliographystyle{plain}
98
99 \begin{document}
100
101 \begin{opening}
102
103  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
104
105 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
106 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
107 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
108 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
109 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
110  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
111
112 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
113 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
114
115 % \date{data}
116
117 \begin{motto}
118 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
119 \end{motto}
120
121 \begin{abstract}
122  abstract qui
123 \end{abstract}
124
125 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
126 Digital Libraries}
127
128 \end{opening}
129
130 \tableofcontents
131 \listoffigures
132
133 \section{Introduction}
134 \label{sec:intro}
135 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
136 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
137 Prof.~Asperti. \\
138 The paper describes the overall architecture of
139 the system, focusing on its most distinctive and innovative 
140 features.
141
142 \subsection{Historical Perspective}
143 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
144 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
145 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
146 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
147 was chosen as a privileged test bench for our work, although experiments
148 have been also conducted with other systems, and notably 
149 with \NUPRL~\cite{nuprl-book}.
150 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
151 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
152 following steps:
153 \begin{itemize}
154 \item exporting the information from the internal representation of
155  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
156 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
157 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
158 of the library were the the main components around which everything else 
159 has to be build;
160 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
161  queries to the library; 
162 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
163 rendering of mathematical information\footnote{We have been 
164 active in the \MATHML{} Working group since 1999.}; 
165 \end{itemize}
166
167 According to our content-centric commitment, the library exported from
168 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
169 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
170 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
171
172 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
173 to a set of software components, collectively called the \HELM{} components.
174 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
175 tools and software components:
176 \begin{itemize}
177 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
178 with components for parsing and saving mathematical objects in such a format
179 \cite{exportation-module};
180 \item metadata specifications with components for indexing and querying the
181 XML knowledge base;
182 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
183 implemented to check that we exported from the \COQ{} library all the 
184 logically relevant content;
185 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
186 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
187 mathematical notation \cite{disambiguation};
188 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
189 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
190 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
191 language \cite{remathematization};
192 \item an innovative, \MATHML-compliant rendering widget for the GTK 
193 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
194 high-quality bidimensional
195 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
196 meaningful rendering expressions, and to paste the respective content into
197 a different text area.
198 \end{itemize}
199 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
200 too far away: essentially, we ``just'' had to
201 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
202 overall management of the library, integrating everything into a
203 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
204
205 \subsection{The system}
206
207 \MATITA{} is a proof assistant (also called interactive theorem prover).
208 It is based on the Calculus of (Co)Inductive Constructions
209 (CIC)~\cite{Werner} that is a dependently typed lambda-calculus \`a la
210 Church enriched with primitive inductive and co-inductive data types.
211 Via the Curry-Howard isomorphism, the calculus can be seen as a very
212 rich higher order logic and proofs can be simply represented and
213 stored as lambda-terms. \COQ{} and Lego are other systems that adopt
214 (variations of) CIC as their foundation.
215
216 The proof language of \MATITA{} is procedural, in the tradition of the LCF
217 theorem prover. Coq, NuPRL, PVS, Isabelle are all examples of others systems
218 whose proof language is procedural. Traditionally, in a procedural system
219 the user interacts only with the \emph{script}, while proof terms are internal
220 records kept by the system. On the contrary, in \MATITA{} proof terms are
221 praised as declarative versions of the proof. With this role, they are the
222 primary mean of communication of proofs (once rendered to natural language
223 for human audiences).
224
225 The user interfaces now adopted by all the proof assistants based on a
226 procedural proof language have been inspired by the CtCoq pioneering
227 system~\cite{ctcoq1}. One successful incarnation of the ideas introduced
228 by CtCoq is the Proof General generic interface~\cite{proofgeneral},
229 that has set a sort of
230 standard way to interact with the system. Several procedural proof assistants
231 have either adopted or cloned Proof General as their main user interface.
232 The authoring interface of \MATITA{} is a clone of the Proof General interface.
233
234 \begin{itemize}
235  \item scelta del sistema fondazional.
236  \item sistema indipendente (da \COQ)
237  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
238 \end{itemize}
239
240 \subsection{Relationship with \COQ{}}
241
242 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
243 more the effect of the circumstances of its creation described 
244 above than the result of a deliberate design. In particular, we
245 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
246 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementation
247 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
248 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
249 two systems.
250
251 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
252 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
253 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
254 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
255 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
256 we could reduce our code even further in sensible way).
257
258 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
259 respect to \COQ. For instance, the API of the components of \MATITA{} comprise
260 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
261
262 Finally, \MATITA{} has several innovative features over \COQ{} that derive
263 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
264 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
265 the parser for ambiguous mathematical notation.
266
267 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
268 historically. \COQ{} is a quite old
269 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
270 several developers have took over the code and several new research ideas
271 that were not considered in the original architecture have been experimented
272 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
273 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
274 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
275 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
276 unification), changing these functionalities maintaining backward compatibility
277 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
278 over the years; optimization reduces maintainability and rises the complexity
279 of the code.
280
281 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
282 we have took advantage of the research results and experiences previously
283 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
284 scratch, we have designed in advance the architecture and we have split
285 the code in coherent minimally coupled components.
286
287 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
288 extensions. Keeping the single components and the whole architecture as
289 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
290 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
291
292 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
293 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
294 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
295
296 \section{Architecture}
297 \label{architettura}
298
299 \begin{figure}[!ht]
300  \begin{center}
301   \includegraphics[width=0.9\textwidth,height=0.8\textheight]{libraries-clusters}
302   \caption[\MATITA{} components and related applications]{\MATITA{}
303    components and related applications, with thousands of line of
304    codes (klocs)}
305   \label{fig:libraries}
306  \end{center}
307 \end{figure}
308
309 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
310 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
311 project. Each node is annotated with the number of lines of source code
312 (comprising comments).
313
314 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
315 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
316 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
317
318 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
319 at different scales. Applications that require only a few functionalities
320 depend on a restricted set of \components{}.
321
322 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
323 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
324 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
325 elsewhere. In particular:
326 \begin{itemize}
327  \item The \emph{\GETTER} is a Web service to retrieve an (XML) document
328    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
329    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
330    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
331    distributed on the network. More information on the Getter can be found
332    in~\cite{zack-master}.
333  \item \emph{\WHELP} is a search engine to index and locate mathematical
334    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
335    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
336    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
337    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
338    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
339    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
340    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
341    the query is only approximated in the sense that false matches can be
342    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
343  \item \emph{\UWOBO} is a Web service that, given the URI of a mathematical
344    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
345    two dimensional mathematical notation. \UWOBO{} may also embed the rendering
346    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
347    The Getter is used by \UWOBO{} to retrieve the document to be rendered.
348    \UWOBO{} has been described in~\cite{zack-master}.
349  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
350    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
351    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
352    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
353    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
354    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
355  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
356    a textual or graphical representation of the dependencies of an object.
357    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
358 \end{itemize}
359
360 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
361 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
362 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
363 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
364 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
365 is just a wrapper to the \GETTER{} \component{} that allows the
366 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
367 of the \GETTER{} \component, or it can use a stub library with the same
368 API that forwards every request to the Getter.
369
370 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
371 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
372 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
373 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
374 formulae, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
375 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
376 a different set of functionalities. The four different levels are:
377 fully specified terms; partially specified terms; 
378 content level terms; presentation level terms.
379
380 \subsection{Fully specified terms}
381 \label{sec:fullyspec}
382
383  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
384    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
385    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
386    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
387    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
388    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
389    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
390    consumption.
391
392    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
393    and provides a parser for terms stored in an XML format.
394
395    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
396    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
397    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
398    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
399    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
400
401    Terms may reference other mathematical notions in the library.
402    One commitment of our project is that the library should be physically
403    distributed. The \GETTER{} \component{} manages the distribution,
404    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
405    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
406    data type and several utility functions over URIs. The
407    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER
408    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
409    notion referenced by a term that is being type-checked. 
410
411    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
412    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
413
414    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
415    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
416    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
417    mathematical formula. Thus we need to collect metadata over the fully
418    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
419    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
420    a simplified
421    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
422    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
423    metadata
424    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
425    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
426    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
427    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
428    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
429    (that will be described later on and that is implemented in the
430     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
431    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
432    candidates. The process that has issued the query is responsible of
433    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
434    out false matches if interested in doing so.
435
436    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
437    the \texttt{whelp} \component.
438
439    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
440    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
441    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
442    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
443    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
444    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
445    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
446    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
447    
448 \subsection{Partially specified terms}
449 \label{sec:partspec}
450
451 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
452 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
453 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
454 linearly. The latters may occur multiple times and are called
455 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
456 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
457 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
458 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
459 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
460 value for the variable bound by the hypothesis.
461
462 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
463 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
464 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
465 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
466 partially specified term well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
467 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
468 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
469 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
470 as few as possible metavariables that occur in them.
471
472 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
473 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
474 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
475 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
476 prove.
477
478 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
479 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
480 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
481 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
482 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
483
484 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
485 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
486 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
487 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
488 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
489 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
490 previous statuses.
491
492 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
493 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
494 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
495 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
496 information that can be inferred by the refiner.
497
498 \subsection{Content level terms}
499 \label{sec:contentintro}
500
501 The language used to communicate proofs and especially formulae with the
502 user does not only needs to be extendible and accommodate the usual mathematical
503 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
504 ambiguity that the mathematical language provides.
505
506 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
507 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
508 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
509 or for their computational properties. For instance equality over real
510 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
511 rational numbers.
512
513 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
514 properties without caring about their representation. However the computational
515 properties of addition over the binary representation are very different from
516 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
517 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
518
519 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
520 very precise on the types he is using and their representation. However,
521 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
522 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
523 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
524 the \emph{content level} representation of formulae.
525
526 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
527 to content level terms and the other way around. The first translation can also
528 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
529 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
530
531 The translation from partially specified terms to content level terms must
532 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
533 formulae. The firsts are translated to a content level representation of
534 proof steps that can easily be rendered in natural language. The representation
535 adopted has greatly influenced the OMDoc~\cite{omdoc} proof format that is now
536 isomorphic to it. Terms that represent formulae are translated to \MATHML{}
537 Content formulae. \MATHML{} Content~\cite{mathml} is a W3C standard
538 for the representation of content level formulae in an XML extensible format.
539
540 The translation to content level is implemented in the
541 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
542 specified terms}, that are maximally unshared
543 partially specified terms enriched with additional typing information for each
544 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
545 proofs and terms that represent formulae. Part of it is also stored at the
546 content level since it is required to generate the natural language rendering
547 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
548 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
549 two different positions we need to associate different typing informations.
550 This association is made easier when the term is represented as a tree since
551 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
552 the typing information using a map on the identifiers.
553 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
554 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
555 in the library in their annotated form.
556
557 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
558 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
559 the reverse translation for formulae. The mapping from
560 content level formulae to partially specified terms is not unique due to
561 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
562 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
563 every ambiguous formula one partially specified term. The
564 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
565 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
566 responsible of building in an efficient way the set of all ``correct''
567 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
568 obtained using the interpretation is refinable.
569
570 In Sect.~\ref{sec:partspec} the last section we described the semantics of a
571 command as a
572 function from status to status. We also suggested that the formulae in a
573 command are encoded as partially specified terms. However, consider the
574 command ``\texttt{replace} $x$ \texttt{with} $y^2$''. Until the occurrence
575 of $x$ to be replaced is located, its context is unknown. Since $y^2$ must
576 replace $x$ in that context, its encoding as a term cannot be computed
577 until $x$ is located. In other words, $y^2$ must be disambiguated in the
578 context of the occurrence $x$ it must replace.
579
580 The elegant solution we have implemented consists in representing terms
581 in a command as functions from a context to a partially refined term. The
582 function is obtained by partially applying our disambiguation function to
583 the content term to be disambiguated. Our solution should be compared with
584 the one adopted in the Coq system, where ambiguity is only relative to De Brujin
585 indexes. In Coq variables can be bound either by name or by position. A term
586 occurring in a command has all its variables bound by name to avoid the need of
587 a context during disambiguation.  Moreover, this makes more complex every
588 operation over terms (i.e. according to our architecture every module that
589 depends on \texttt{cic}) since the code must deal consistently with both kinds
590 of binding. Also, this solution cannot cope with other forms of ambiguity (as
591 the context dependent meaning of the exponent in the previous example).
592
593 \subsection{Presentation level terms}
594
595 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
596 formulae and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
597 is called \emph{presentation level}.
598
599 The main important difference between the content level language and the
600 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
601 the presentation level language is a finite language that comprises all
602 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
603 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
604
605 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
606 standard languages. In particular, for formulae we have adopt \MATHML{}
607 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
608 visually
609 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
610 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
611 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
612 \BOXML.
613
614 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
615 translation from content level terms to presentation level terms. The
616 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
617 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
618 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} \MATHML+\BOXML{} tree from our
619 presentation
620 level terms. \GDOME{} \MATHML+\BOXML{} trees can be rendered by the
621 \GTKMATHVIEW{}
622 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
623 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
624 selection}.
625
626 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
627 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
628 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
629 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
630 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
631 fully specified term.
632 Once the rendering of a lower level term is
633 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
634 lower level term. An example of applications of semantic selection is
635 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
636 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
637 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
638 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
639
640 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
641 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
642 Differently from the translation from content level terms to partially
643 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
644 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
645 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
646 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
647 This means that the user must fix once and for all the associativity and
648 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
649 does not seem too strong. The reason is that the target of the
650 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
651 to every content level term several different interpretations (as a
652 partially specified term).
653
654 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
655 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
656 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
657 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
658 of commands to declare and activate new notations and it implements the
659 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
660 actions. Among the commands there are hints to the
661 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
662 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
663
664 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
665 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
666 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
667 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
668 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
669 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
670 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
671 level, it invokes the already described parser for terms contained in
672 \texttt{content\_pres}.
673
674 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
675 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
676 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
677 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
678 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.  However,
679 only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
680 \texttt{tactics} components (summing up to a total of 11'200 lines of code)
681 since \WHELP{} can only execute those ASTs that correspond to queries
682 (implemented in the \texttt{whelp} component).
683
684 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
685 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
686 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
687 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
688 it to the presentation level passing through the content level. Finally
689 it returns the result document to be rendered by the user's
690 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
691
692
693 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
694 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
695 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
696 services missing from the standard library of the programming language.
697 %In particular, the \texttt{xml} \component{} is used to easily represent,
698 %parse and pretty-print XML files.
699
700
701 \section{The interface to the library}
702 \label{sec:library}
703
704 A proof assistant provides both an interface to interact with its library and
705 an \emph{authoring} interface to develop new proofs and theories. According
706 to its historical origins, \MATITA{} strives to provide innovative
707 functionalities for the interaction with the library. It is more traditional
708 in its script based authoring interface.
709
710 In the remaining part of the paper we focus on the user view of \MATITA{}.
711 This section is devoted to the aspects of the tool that arise from the
712 document centric approach to the library. Sect.~\ref{sec:authoring} describes
713 the peculiarities of the authoring interface.
714
715 The library of \MATITA{} comprises mathematical concepts (theorems,
716 axioms, definitions) and notation. The concepts are authored sequentially
717 using scripts that are (ordered) sequences of procedural commands.
718 However, once they are produced we store them independently in the library.
719 The only relation implicitly kept between the notions are the logical,
720 acyclic dependencies among them. This way the library forms a global (and
721 distributed) hypertext. Several useful operations can be implemented on the
722 library only, regardless of the scripts. Examples of such operations
723 implemented in \MATITA{} are: searching and browsing (see Sect.~\ref{sec:indexing});
724 disambiguation of content level terms (see Sect.~\ref{sec:disambiguation});
725 automatic proof searching (see Sect.~\ref{sec:automation}).
726
727 The key requisite for the previous operations is that the library must
728 be fully accessible and in a logically consistent state. To preserve
729 consistency, a concept cannot be altered or removed unless the part of the
730 library that depends on it is modified accordingly. To allow incremental
731 changes and cooperative development, consistent revisions are necessary.
732 For instance, to modify a definition, the user could fork a new version
733 of the library where the definition is updated and all the concepts that
734 used to rely on it are absent. The user is then responsible to restore
735 the removed part in the new branch, merging the branch when the library is
736 fully restored.
737
738 To implement the proposed versioning system on top of a standard one
739 it is necessary to implement \emph{invalidation} first. Invalidation
740 is the operation that locates and removes from the library all the concepts
741 that depend on a given one. As described in Sect.~\ref{sec:libmanagement} removing
742 a concept from the library also involves deleting its metadata from the
743 database.
744
745 For non collaborative development, full versioning can be avoided, but
746 invalidation is still required. Since nobody else is relying on the
747 user development, the user is free to change and invalidate part of the library
748 without branching. Invalidation is still necessary to avoid using a
749 concept that is no longer valid.
750 So far, in \MATITA{} we address only this non collaborative scenario
751 (see Sect.~\ref{sec:libmanagement}). Collaborative development and versioning
752 is still under design.
753
754 Scripts are not seen as constituents of the library. They are not published
755 and indexed, so they cannot be searched or browsed using \HELM{} tools.
756 However, they play a central role for the maintenance of the library.
757 Indeed, once a notion is invalidated, the only way to restore it is to
758 fix the possibly broken script that used to generate it.
759 Moreover, during the authoring phase, scripts are a natural way to
760 group notions together. They also constitute a less fine grained clustering
761 of notions for invalidation.
762
763 In the rest of this section we present in more details the functionalities of
764 \MATITA{} related to library management and exploitation.
765 Sect.~\ref{sec:authoring} is devoted to the description of the peculiarities of
766 the \MATITA{} authoring interface.
767
768 \subsection{Indexing and searching}
769 \label{sec:indexing}
770
771 \subsection{Disambiguation}
772 \label{sec:disambiguation}
773
774 Software applications that involve input of mathematical content should strive
775 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
776 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
777 Being that drift in general very large when inputing
778 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
779 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
780 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
781 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
782 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
783
784 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
785 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
786 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
787 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
788 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
789 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
790 expressiveness.
791
792 \subsubsection{Disambiguation aliases}
793 \label{sec:disambaliases}
794 Let us start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
795 (Peano) natural numbers.
796
797 \begin{grafite}
798 include "nat/nat.ma".
799 ..
800 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
801   \lambda n, m. m < n.
802 \end{grafite}
803
804 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
805 defining the notion of natural numbers should be defined before
806 processing what follows. Note indeed that the algorithm presented
807 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
808 expressions come from, since it is application-specific. As a first
809 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
810 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
811 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
812 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
813
814 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
815 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
816 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
817 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
818 both type and body are easily disambiguated.
819
820 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
821 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
822 course overload the \OP{<} operator):
823
824 \begin{grafite}
825 include "Z/z.ma".
826 ..
827 theorem Zlt_compat:
828   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
829 \end{grafite}
830
831 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
832 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
833 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
834 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
835 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
836 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
837 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
838 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
839 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
840 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
841
842 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
843 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
844 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
845 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
846 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
847 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitly inferred during disambiguation
848 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
849 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
850 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
851 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
852 chosen):
853
854 \begin{grafite}
855 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
856 theorem Zlt_compat:
857   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
858 \end{grafite}
859
860 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
861 library explicitly included we may be tempted of using them as the only
862 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
863 Consider for example:
864
865 \begin{grafite}
866 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
867 \end{grafite}
868
869 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
870 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
871 refinable partially specified term matching the term could be found.
872
873 For this reason we chose to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
874 first pass attempts to disambiguate using the last available disambiguation
875 aliases (\emph{mono aliases} pass); in case of failure the next pass tries
876 disambiguation again forgetting the aliases and using the whole library to
877 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
878 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
879 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
880 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
881 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
882 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
883 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
884
885 \subsubsection{Operator instances}
886
887 Let us suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
888 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
889 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
890
891 \begin{grafite}
892 include "Z/z.ma".
893 include "nat/orders.ma".
894 ..
895 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
896   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
897 \end{grafite}
898
899 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
900 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
901 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
902 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
903 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
904 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
905 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
906 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
907 \emph{fresh instances}.
908
909 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
910 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
911 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
912 attempting a non-fresh one.
913
914 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
915 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
916 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
917 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
918 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
919 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
920 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
921 aliases} and \MATITA{} does not use it to disambiguate further terms down in the
922 script.
923
924 \subsubsection{Implicit coercions}
925
926 Let us now consider a theorem about derivation:
927
928 \begin{grafite}
929 theorem power_deriv:
930   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
931 \end{grafite}
932
933 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
934 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
935 Mathematicians would write the term that way since it is well known that the
936 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
937 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
938 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
939 level term, it will return a partially specified term where in place of
940 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
941 (assuming it has been defined as such of course).
942
943 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
944 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we do not want the term which uses
945 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
946 among the possible partially specified term choices. For this reason in
947 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
948 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
949 coercion-enabled pass.
950
951 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
952 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
953 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
954 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
955 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
956 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
957 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
958 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
959 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
960 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
961 attempting passes with implicit coercions.
962
963 \subsubsection{Disambiguation passes}
964
965 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
966 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}. In
967 our experience that choice gives reasonable performance and minimize the need of
968 user interaction during the disambiguation.
969
970 \begin{table}[ht]
971  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
972  \label{tab:disambpasses} 
973  \begin{center}
974   \begin{tabular}{c|c|c|c}
975    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
976    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
977    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
978    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
979    \hline
980    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
981    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
982    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
983    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
984    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
985    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
986    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
987   \end{tabular}
988  \end{center}
989 \end{table}
990
991
992
993 \subsection{Generation and Invalidation}
994 \label{sec:libmanagement}
995
996 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
997 preserves the consistency and the availability of the library
998 using the \WHELP{} technology, in response to the user alteration or 
999 removal of mathematical objects.
1000
1001 As already sketched in Sect.~\ref{sec:fullyspec} what we generate 
1002 from a script is split among two storage media, a
1003 classical filesystem and a relational database. The former is used to
1004 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
1005 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
1006 while the latter is used to store all the metadata needed by
1007 \WHELP{}.
1008
1009 While the consistency of the data store in the two media has
1010 nothing to do with the nature of
1011 the content of the library and is thus uninteresting (but really
1012 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
1013 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
1014 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
1015 already proved theorems). 
1016
1017 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
1018 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
1019 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
1020 without loosing the feeling of an always visible and browsable
1021 library.
1022
1023 \subsubsection{Compilation}
1024
1025 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
1026 it depends only on well typed objects available in the library,
1027 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
1028 the library is preserved. We have only to find the right order of
1029 compilation of the scripts that compose the user development.
1030
1031 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
1032 that takes in input the list of files that compose the development and
1033 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
1034 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
1035 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
1036 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
1037 related tasks, including dependencies calculation.
1038 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
1039 inclusions of other parts of the development or for explicit
1040 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
1041 \ref{sec:disambaliases}). 
1042
1043 The output of the compilation is immediately available to the user
1044 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
1045 user-specific area of the database where the search engine has read
1046 access, and all the automated tactics that operates on the whole
1047 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
1048
1049 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
1050 to compile again the same script, maybe after the removal of a
1051 theorem. Here the policy is simple: clean the output before recompiling.
1052 As we will see in the next section cleaning will ensure that
1053 there will be no theorems in the development that depends on the
1054 removed items.
1055
1056 \subsubsection{Cleaning}
1057
1058 With the term ``cleaning'' we mean the process of removing all the
1059 results of an object compilation. In order to keep the consistency of
1060 the library, cleaning an object requires the (recursive) cleaning
1061 of all the objects that depend on it (\emph{reverse dependencies}).
1062
1063 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
1064 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
1065 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
1066 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
1067 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
1068 database.
1069
1070 The latter is a fall-back in case the database is not
1071 available.\footnote{Due to the complex deployment of a large piece of
1072 software like a database, it is a common practice for the \HELM{} team
1073 to use a shared remote database, that may be unavailable if the user
1074 workstation lacks network connectivity.} This facility has to be
1075 intended only as a fall-back, since the queries of the \WHELP{}
1076 technology depend require a working database.
1077
1078 Cleaning guarantees that if an object is removed there are no dandling
1079 references to it, and that the part of the library still compiled is
1080 consistent. Since cleaning involves the removal of all the results of
1081 the compilation, metadata included, the library browsable trough the
1082 \WHELP{} technology is always kept up to date.
1083
1084 \subsubsection{Batch vs Interactive}
1085
1086 \MATITA{} includes an interactive authoring interface and a batch
1087 ``compiler'' (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
1088 user, the latter is automatically invoked when a
1089 part of the user development is required (for example issuing an
1090 \texttt{include} command) but not yet compiled.
1091
1092 While they share the same engine for compilation and cleaning, they
1093 provide different granularity. The batch compiler is only able to
1094 compile a whole script and similarly to clean only a whole script
1095 (together with all the other scripts that rely on an object defined in
1096 it). The interactive interface is able to execute single steps of
1097 compilation, that may include the definition of an object, and
1098 similarly to undo single steps. Note that in the latter case there is
1099 no risk of introducing dangling references since the \MATITA{} user
1100 interface inhibit undoing a step which is not the last executed.
1101
1102 \subsection{Automation}
1103 \label{sec:automation}
1104
1105 \subsection{Naming convention}
1106 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
1107 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
1108 our studies about metadata for statements. 
1109 The convention is only applied to identifiers for theorems 
1110 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
1111 The basic rules are the following:
1112 \begin{itemize}
1113 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
1114 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
1115 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
1116 separated by an underscore,
1117 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
1118 and in the conclusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
1119 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
1120 single or double apostrophe.
1121
1122 \end{itemize}
1123 Take for instance the theorem
1124 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
1125 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
1126 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
1127 Similarly, consider the theorem 
1128 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
1129 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
1130 while \verb+lt_le+ is not.\\
1131 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
1132 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
1133 The correct approach, 
1134 in this case, is the following. You should start with defining the 
1135 symmetric property for relations
1136
1137 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
1138
1139 Then, you may state the symmetry of equality as
1140 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
1141 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
1142 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
1143 has an important beneficial effect on the global organization of the library, 
1144 forcing the user to define abstract notions and properties before 
1145 using them (and formalizing such use).
1146
1147 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
1148 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
1149 theorems of the shape
1150 $\forall P,\dots.P(t)$.
1151 In this case you may replace the conclusion with the word
1152 ``elim'' or ``case''.
1153 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
1154 induction principle.
1155
1156 The other special case is that of statements whose conclusion is a
1157 match expression. 
1158 A typical example is the following
1159 \begin{verbatim}
1160   \forall n,m:nat. 
1161       match (eqb n m) with
1162         [ true  \Rightarrow n = m 
1163         | false \Rightarrow n \neq m]
1164 \end{verbatim}
1165 where $eqb$ is boolean equality.
1166 In this cases, the name can be build starting from the matched
1167 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
1168 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
1169
1170 \section{The authoring interface}
1171 \label{sec:authoring}
1172
1173 The authoring interface of \MATITA{} is very similar to Proof General.  We
1174 chose not to build the \MATITA{} UI over Proof General for two reasons. First
1175 of all we wanted to integrate our XML-based rendering technologies, mainly
1176 \GTKMATHVIEW{}.  At the time of writing Proof General supports only text based
1177 rendering.\footnote{This may change with the future release of Proof General
1178 based on Eclipse, but is not yet the case.} The second reason is that we wanted
1179 to build the \MATITA{} UI on top of a state-of-the-art and widespread toolkit
1180 as GTK is.
1181
1182 Fig.~\ref{fig:screenshot} is a screenshot of the \MATITA{} authoring interface,
1183 featuring two windows. The background one is very like to the Proof General
1184 interface. The main difference is that we use the \GTKMATHVIEW{} widget to
1185 render sequents. Since \GTKMATHVIEW{} renders \MATHML{} markup we take
1186 advantage of the whole bidimensional mathematical notation.
1187
1188 The foreground window, also implemented around \GTKMATHVIEW, is called
1189 ``cicBrowser''. It is used to browse the library, including the proof being
1190 developed, and enable content based search over it. Proofs are rendered in
1191 natural language, automatically generated from the low-level lambda-terms,
1192 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS} and already described 
1193 in~\cite{remathematization}.
1194
1195 Note that the syntax used in the script view is \TeX-like, however Unicode is 
1196 fully supported so that mathematical glyphs can be input as such.
1197
1198 \begin{figure}[!ht]
1199  \begin{center}
1200   \includegraphics[width=0.95\textwidth]{matita-screenshot}
1201   \caption{\MATITA{} look and feel}
1202   \label{fig:screenshot}
1203  \end{center}
1204 \end{figure}
1205
1206 Since the concepts of script based proof authoring are well-known, the
1207 remaining part of this section is dedicated to the distinguishing
1208 features of the \MATITA{} authoring interface.
1209
1210 \subsection{Direct manipulation of terms}
1211
1212 While terms are input as \TeX-like formulae in \MATITA, they are converted to a
1213 mixed \MATHML+\BOXML{} markup for output purposes and then rendered by
1214 \GTKMATHVIEW. As described in~\cite{latexmathml} this mixed choice enables both
1215 high-quality bidimensional rendering of terms (including the use of fancy
1216 layout schemata like radicals and matrices) and the use of a
1217 concise and widespread textual syntax.
1218
1219 Keeping pointers from the presentations level terms down to the
1220 partially specified ones \MATITA{} enable direct manipulation of
1221 rendered (sub)terms in the form of hyperlinks and semantic selection.
1222
1223 \emph{Hyperlinks} have anchors on the occurrences of constant and
1224 inductive type constructors and point to the corresponding definitions
1225 in the library. Anchors are available notwithstanding the use of
1226 user-defined mathematical notation: as can be seen on the right of
1227 Fig.~\ref{fig:directmanip}, where we clicked on $\not|$, symbols
1228 encoding complex notations retain all the hyperlinks of constants or
1229 constructors used in the notation.
1230
1231 \emph{Semantic selection} enables the selection of mixed
1232 \MATHML+\BOXML{} markup, constraining the selection to markup
1233 representing meaningful CIC (sub)terms. In the example on the left of
1234 Fig.~\ref{fig:directmanip} is thus possible to select the subterm
1235 $\mathrm{prime}~n$, whereas it would not be possible to select
1236 $\to n$ since the former denotes an application while the
1237 latter it not a subterm. Once a meaningful (sub)term has been
1238 selected actions can be done on it like reductions or tactic
1239 applications.
1240
1241 \begin{figure}[t]
1242  \begin{center}
1243   \includegraphics[width=0.40\textwidth]{matita-screenshot-selection}
1244   \hspace{0.05\textwidth}
1245   \raisebox{0.4cm}{\includegraphics[width=0.50\textwidth]{matita-screenshot-href}}
1246   \caption{Semantic selection and hyperlinks}
1247   \label{fig:directmanip}
1248  \end{center}
1249 \end{figure}
1250
1251
1252
1253 \subsection{Patterns}
1254
1255 In several situations working with direct manipulation of terms is 
1256 simpler and faster than typing the corresponding textual 
1257 commands~\cite{proof-by-pointing}.
1258 Nonetheless we need to record actions and selections in scripts.
1259
1260 In \MATITA{} \emph{patterns} are textual representations of selections.
1261 Users can select using the GUI and then ask the system to paste the
1262 corresponding pattern in this script, but more often this process is
1263 transparent: once an action is performed on a selection, the corresponding
1264 textual command is computed and inserted in the script.
1265
1266 \subsubsection{Pattern syntax}
1267
1268 Patterns are composed of two parts: \NT{sequent\_path} and
1269 \NT{wanted}; their concrete syntax is reported in table
1270 \ref{tab:pathsyn}.
1271
1272 \NT{sequent\_path} mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms
1273 with $?$ and selecting the interesting parts with the placeholder
1274 $\%$.  \NT{wanted} is a term that lives in the context of the
1275 placeholders.
1276
1277 Textual patterns produced from a graphical selection are made of the
1278 \NT{sequent\_path} only. Such patterns can represent every selection,
1279 but are quite verbose. The \NT{wanted} part of the syntax is meant to
1280 help the users in writing concise and elegant patterns by hand.
1281
1282 \begin{table}
1283  \caption{\label{tab:pathsyn} Patterns concrete syntax.\strut}
1284 \hrule
1285 \[
1286 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1287   \NT{pattern} & 
1288     ::= & [~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]~[~\verb+match+~\NT{wanted}~] & \\
1289   \NT{sequent\_path} & 
1290     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1291       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1292   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1293   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1294 \end{array}
1295 \]
1296 \hrule
1297 \end{table}
1298
1299 \subsubsection{Pattern evaluation}
1300
1301 Patterns are evaluated in two phases. The first selects roots
1302 (subterms) of the sequent, using the $\NT{sequent\_path}$,  while the
1303 second searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots.
1304 % Both are optional steps, and by convention the empty pattern selects
1305 % the whole conclusion.
1306
1307 \begin{description}
1308 \item[Phase 1]
1309   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1310   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1311   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1312   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1313   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1314   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1315   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1316   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1317   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1318   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1319   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1320
1321   A $\NT{multipath}$ is a CIC term in which a special constant $\%$
1322   is allowed.
1323   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1324   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1325   selects the whole term, is simply $\%$.
1326   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1327   that respectively select the first argument of an application or
1328   the source of an arrow and the head of the application that is
1329   found in the arrow target.
1330
1331   The first phase not only selects terms (roots of subterms) but
1332   determines also their context that will be eventually used in the
1333   second phase.
1334
1335 \item[Phase 2] 
1336   plays a role only if the $[~\verb+match+~\NT{wanted}~]$
1337   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1338   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1339   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1340   corresponding root is searched for a subterm that can be unified to
1341   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1342   pattern represents.
1343
1344 \end{description}
1345
1346 \subsubsection{Examples}
1347 %To explain how the first phase works let us give an example. Consider
1348 %you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1349 %sum, and that you can rely on the previously demonstrated left
1350 %injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1351 %Typing
1352 %\begin{grafite}
1353 %theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1354 %  intros (n m H).
1355 %\end{grafite}
1356 %\noindent
1357 Consider the following sequent 
1358 \sequent{
1359 n:nat\\
1360 m:nat\\
1361 H: m + n = n}{
1362 m=O
1363 }
1364 \noindent
1365 To change the right part of the equivalence of the $H$
1366 hypothesis with $O + n$ the user selects and pastes it as the pattern
1367 in the following statement.
1368 \begin{grafite}
1369   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1370 \end{grafite}
1371 \noindent
1372 To understand the pattern (or produce it by hand) the user should be
1373 aware that the notation $m+n=n$ hides the term $(eq~nat~(m+n)~n)$, so
1374 that the pattern selects only the third argument of $eq$.
1375
1376 The experienced user may also write by hand a concise pattern
1377 to change at once all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$:
1378 \begin{grafite}
1379   change in H match n with (O + n).
1380 \end{grafite}
1381 \noindent
1382 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1383 the second phase locates $n$.
1384
1385 The latter pattern is equivalent to the following one, that the system
1386 can automatically generate from the selection.
1387 \begin{grafite}
1388   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1389 \end{grafite}
1390 \noindent
1391
1392 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1393 MERGIARE CON IL SUCCESSIVO FACENDO NOTARE CHE I PATTERNS SONO UNA
1394 INTERFACCIA OCMUNE PER LE TATTICHE
1395
1396 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1397 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1398 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1399
1400 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1401 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1402 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1403 con una pattern\_of(select(pattern))}
1404
1405 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1406 \COQ{} has two different ways of restricting the application of tactics to
1407 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1408 a term occurrence.
1409
1410 The first way is to use this special syntax to tell the
1411 tactic what occurrences of a wanted term should be affected.
1412 The second is to prepare the sequent with another tactic called
1413 pattern and then apply the real tactic. Note that the choice is not
1414 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1415 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1416
1417 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1418 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1419 occurrences of it (counting from left to right). In our previous example,
1420 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1421 is
1422 \begin{grafite}
1423   change n at 2 in H with (O + n)
1424 \end{grafite} 
1425 \noindent
1426 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1427 second we encounter proceeding from left to right.
1428
1429 The tactic pattern computes a
1430 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1431 occurrences of the given term. In the previous example the following
1432 command
1433 \begin{grafite}
1434   pattern n at 2 in H
1435 \end{grafite}
1436 \noindent
1437 would have resulted in this sequent
1438 \begin{grafite}
1439   n : nat
1440   m : nat
1441   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1442   ============================
1443    m = 0
1444 \end{grafite}
1445 \noindent
1446 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1447 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1448 the head of the application (since the unification is essentially
1449 first-order) but normally operate on the arguments. 
1450 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1451 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1452 unification. 
1453
1454 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1455 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1456 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1457 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1458 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1459 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1460 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1461
1462 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techniques, and
1463 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1464 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1465
1466
1467 \subsection{Tacticals}
1468 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1469 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1470 around the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1471 will not compare the two different approaches. We will describe the common
1472 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1473 them.
1474
1475 \subsubsection{Tacticals overview}
1476
1477 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1478 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1479 The following simple example shows three tacticals in action
1480 \begin{grafite}
1481 theorem trivial: 
1482   \forall A,B:Prop. 
1483     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1484   intros (A B H).
1485   split; intro; 
1486     [ rewrite < H. assumption.
1487     | rewrite > H. assumption.
1488     ]
1489 qed.
1490 \end{grafite}
1491
1492 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1493 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1494 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1495 we have two goals, the two sides of the logic and).
1496 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1497 is proved by the first sequence of tactics
1498 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1499 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1500 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1501 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1502 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1503 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1504 delimiter of commands the proof assistant executes).
1505
1506 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1507 to read without the interactive tool. To help the reader in
1508 understanding the following considerations we just give few common
1509 usage examples without a proof context.
1510
1511 \begin{grafite}
1512   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1513   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1514 \end{grafite}
1515
1516 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1517 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1518 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1519 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1520 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1521 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1522 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1523 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1524
1525 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1526 compositions of tacticals and in particular they are a single
1527 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1528 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1529 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1530 a single statement.
1531
1532 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1533 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1534 maintainability and readability. 
1535
1536 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1537 compatibility is a really time consuming task. \\
1538 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1539 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1540 were not opening goals in the expected order. In particular the
1541 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1542 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1543 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1544 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1545 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1546 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1547 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1548 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1549 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1550 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1551 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1552 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1553 have been done automatically. 
1554
1555 From this experience we learned that the use of tacticals for
1556 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1557 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1558 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1559 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1560 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1561 for two different theorems to have the same proof script (while the
1562 proof is completely different).\\
1563 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1564 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1565 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1566 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1567 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1568 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1569 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1570 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1571 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1572 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1573 and) result in a single step of execution. The workaround does not work
1574 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1575 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1576
1577 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1578 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1579 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1580 they are executed.
1581
1582 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1583 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1584 making it impossible to read them again.
1585
1586 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1587
1588 \begin{table}
1589  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1590 \hrule
1591 \[
1592 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1593   \NT{punctuation} & 
1594     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1595   \NT{block\_kind} & 
1596     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1597   \NT{block\_delimiter} & 
1598     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1599   \NT{tactical} & 
1600     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1601 \end{array}
1602 \]
1603 \hrule
1604 \end{table}
1605
1606 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1607 While one would expect to find structured constructs like 
1608 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1609 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1610 execution.
1611
1612 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1613 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1614 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1615 even being a so simple idea:
1616 \begin{description}
1617 \item[Proof structuring] 
1618   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1619   are using classical tacticals in one of the state of the
1620   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1621   After applying the induction principle you have to choose: structure
1622   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1623   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1624   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1625   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1626   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1627   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1628   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1629   the already executed script you have to undo one step.
1630   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1631   the proof and write a plain list of tactics.\\
1632   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1633   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1634   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1635   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1636   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1637   structured proof. \\
1638   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1639   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1640   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1641   
1642 \item[Rereading]
1643   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1644   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1645   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1646   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1647   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1648   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1649   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1650   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1651   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1652   goal) gives you the feeling of what is going on.
1653 \end{description}
1654
1655 \section{Standard library}
1656 \label{sec:stdlib}
1657
1658 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1659 can be read, checked and referenced in further developments. 
1660 However, in order to test the actual usability of the system, a
1661 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1662 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1663 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1664 \COQ{} objects. 
1665 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1666 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1667 Eulers' totient function $\phi$.
1668 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1669 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1670 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1671 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1672 in Figure\ref{scripts}
1673 \begin{figure}[htb]
1674 $\begin{array}{lll}
1675 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1676 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1677 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1678 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1679 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1680 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1681 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1682 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1683 totient.ma& & \\
1684 \end{array}$
1685 \caption{\label{scripts}\MATITA{} scripts on natural numbers}
1686 \end{figure}
1687
1688 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1689 as most of the systems do. On the contrary we are currently
1690 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1691 development of the library, encouraging people to expand, 
1692 modify and elaborate previous contributions.
1693
1694 \section{Conclusions}
1695
1696 \acknowledgements
1697 We would like to thank all the students that during the past
1698 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1699 the development of \MATITA{}, and in particular
1700 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1701 and V.~Tamburrelli.
1702
1703 \theendnotes
1704
1705 \bibliography{matita}
1706
1707 \end{document}
1708